Введение к работе
Актуальность проблемы Проблема обеспечения человечества продовольствием и, в частности, полноценным пищевым белком сохраняет свою актуальность и в 3-ем тысячелетии.
Общепризнанным путем в ликвидации дефицита белка, устранения его качественной неполноценности и улучшения пищевой ценности продуктов питания является использование новых его источников.
Среди всех сельскохозяйственных культур первое место в мире в общей массе белка занимает пшеница, дающая 71 миллион тонн белка, соя занимает второе место, с производством белка 62,7 миллиона тонн. Однако пшеничный белок для пищевых целей используется на 74%, а соевый белок, по оценкам ФАО не более, чем на 10%, поэтому основным резервом белкового питания населения в мире признана соя.
Соевые белки отличаются уникальным аминокислотным составом, практически не уступающим белкам животного происхождения, что отмечено в документах Всемирной Организации Здравоохранения.
Пищевое использование сои высокими темпами растёт во всех ведущих странах мира и составляет по 5-8% в год. Ежегодно 85% от урожая семян сои перерабатывается для получения двух основных продуктов: соевого масла и соевого шрота. В условиях повышенного интереса общества к вопросам питательности пищевых продуктов белок сои получает все большее признание как высокопитательный, функциональный и рентабельный пищевой ингредиент, позволяющий дополнять и улучшать пищевую ценность готовой продукции, одновременно снизить ее себестоимость. По данным специалистов Института питания РАМН недостаточное поступление легкоусвояемых форм белка в рационах питания приводит к нарушению иммунной устойчивости организма.
В настоящее время соевый рынок также активно развивается и в России. Однако, объемы отечественного производства семян сои явно недостаточны для удовлетворения растущих потребностей промышленности и населения в продуктах их переработки.
Большой вклад в развитие российских технологий по применению растительного сырья в пищевых продуктах, создавших теоретические и практические основы выделения пищевых белков внесли работы ученых:
Диановой В.Т., Доморощенковой М.Л., Дубцовой Г.Н., Браудо Е.Е., Высоцкого В.Г., Красильникова В.Н., Колпаковой В.В., Неклюдова А.Д, Римаревой Л.В., Румянцевой Г.Н., Страшненко Е.С., Толстогузова В.Б., Телишевской Е.Я., Цыгановой Т.Б. и др..
Применение соевых белковых продуктов в пищевой промышленности России распространяется в основном на производство мясных и молочных продуктов (по данным консалтингового агентства Market Advice 85% соевого белкового сырья), и только 15% приходится на другие отрасли пищевой промышленности (хлебопекарную, кондитерскую).
В свете этого актуальной является проблема обогащения соевым белком других категорий пищевых продуктов и повышения эффективности использования соевого сырья, в первую очередь соевой муки, которая является вторичным продуктом производства соевого масла, содержит в своем составе до 50% полноценного белка, и которая гораздо дешевле, чем соевые белковые изоляты и концентраты.
Для решения этой проблемы необходим комплексный подход к разработке технологических решений для той или иной отрасли пищевой промышленности который должен основываться, с одной стороны, на разработке научных и практических основ модификации соевой муки с целью повышения пищевой ценности, с другой, на характеристике ее функциональных свойств, имеющих важное значение для обеспечения гарантированного качества пищевых продуктов по физико-химическим и органолептическим показателям.
Одним из наиболее перспективных путей для расширения области применения соевой муки в пищевой промышленности является использование направленного биокатализа на основе протеолитических ферментных препаратов различного происхождения, обеспечивающего наиболее полное извлечение белка, получение продуктов ферментативной модификации соевой муки с прогнозируемыми изменениями химического состава и технологических функциональных свойств. Решению этой проблемы и посвящена данная работа.
Об актуальности направления говорит и то, что работа проводилась в рамках следующих программ: инновационной научно-технической программы Министерства общего и профессионального образования РФ «Создание современных технологических систем для производства пищевых и кормовых продуктов» (1997-1999г.); «Прецизионные технологии и системы» (1999г.), «Экспертные технологии и международное научное сотрудничество» (1999г.), «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем» (2000-2002г.), «Научное и научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» (2002г.), межведомственной аналитической целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы » (2006-2010г.) Рособразования РФ.
Целью настоящей работы является решение комплекса научно-практических задач, связанных с разработкой подходов к получению продуктов ферментативной модификации соевой муки на основе направленного биокатализа, обеспечивающего более полное и рациональное использование соевого сырья в пищевой промышленности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработать научные основы технологии получения продуктов ферментативной модификации соевой муки с использованием протеолитических ферментных препаратов различного происхождения и мультэнзимных композиций (МЭК);
выбрать способ сушки и обосновать режимы получения продуктов ферментативной модификации соевой муки в виде порошков различной цветовой гаммы;
дать биохимическую характеристику продуктов ферментативной модификации соевой муки как основы целесообразности их применения для создания продуктов повышенной пищевой ценности;
исследовать функциональные свойства продуктов ферментативного гидролиза соевой муки для выбора области их применения в рецептурах пищевых продуктах. Провести исследования по созданию нового ассортимента продуктов для пищеконцентратной, молочной, хлебопекарной, крндитерской промышленностей, производства соусов, напитков на основе соков;
разработать технологические решения для применения продуктов ферментативной модификации соевой муки в технологии пищевых продуктов и кормов;
разработать техническую документацию и рекомендации по получению продуктов ферментативного гидролиза соевой муки и их применению для создания новых видов пищевых изделий.
Основные положения, представляемые к защите:
научно обоснованная технология применения направленного биокатализа для получения продуктов ферментативной модификации соевой муки, обеспечивающая расширение области применения соевого сырья в пищевой промышленности;
научно-методологический подход к выбору ферментных препаратов, формированию МЭК и мониторингу эффективности их действия при ферментативной обработке соевой муки;
совокупность данных по характеристике химического состава продуктов ферментативной обработки соевой муки с позиций пищевой ценности и их функциональных свойств, являющаяся обоснованием целесообразности их применения в пищевых технологиях для создания нового ассортимента продуктов и интенсификации технологических процессов их производства;
научно-обоснованные технологические решения по созданию новых продуктов питания повышенной пищевой ценности на основе использования в их рецептурах продуктов ферментативной модификации соевой муки.
Научная новизна. Научно обоснованы технологические решения для получения и применения в пищевых технологиях продуктов ферментативной модификации соевой муки.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технология переработки соевой муки на основе направленного биокатализа, обеспечивающего регулирование химического состава и функциональных свойств полученных продуктов ферментативной модификации соевой муки для применения в пищевой индустрии.
Экспериментально установлено влияние процесса ограниченного биокатализа на функциональные свойства (мутность, эмульгирующую и пенообразующую способности, стабильность пены) полученных продуктов. Получены математические зависимости, характеризующие взаимосвязь между составом МЭК и технологическими функциональными свойствами, позволяющие получать продукты ферментативной модификации соевой муки, обладающие заданными технологическими характеристиками с ориентацией на применение в соответствующих отраслях пищевой промышленности.
Получены зависимости, характеризующие влияние ряда факторов на накопление продуктов ферментативного гидролиза соевой муки (растворимого белка, аминного азота, свободных аминокислот), анализ которых позволил обосновать и разработать режимы модификации соевой муки для получения продуктов, имеющих повышенную пищевую и биологическую ценность по сравнению с исходной соевой мукой.
Расширены представления о каталитических свойствах и эффективности действия отдельных ферментов и их композиций на модельных и природных субстратах и оценена роль каждого из ферментов в процессах биокатализа.
Обоснован подход к формированию мультэнзимных композиций на основе ферментных препаратов протеолитического действия различного происхождения для получения продуктов модификации соевой муки, имеющих различную биологическую ценность и отличающиеся по функциональным свойствам.
Дана биохимическая характеристика продуктов ферментативного гидролиза соевой муки (фракционный состав белков, состав и содержание свободных аминокислот, углеводов, изофлавонов, состояние липидного компонента, в.т.ч. состав и содержание фосфолипидов и жирных кислот) с позиции целесообразности их использования в рецептурах пищевых продуктов.
Методом SE-HPLC и гель-хроматографии выявлены различия в распределении белка по молекулярной массе в продуктах ферментативного гидролиза, полученных при действии ферментных препаратов различного происхождения и МЭК на модельный и природный субстрат.
Впервые получены данные и зависимости, характеризующие состояние липидного компонента соевой муки и продуктов ее ферментативной модификации в процессе хранения.
Получены данные и зависимости, характеризующие влияние способа и условий сушки ферментативного соевого гидролизата на состав, физико-химические и органолептические свойства сухих продуктов, анализ которых, позволил обосновать выбор способа сушки.
Новизна научных концепций ряда технических решений подтверждена авторским свидетельством и 2 патентами.
Практическая значимость. Разработана технология применения направленного биокатализа для получения продуктов ферментативной модификации соевой муки различного химического состава, обладающих повышенной пищевой ценностью по сравнению с исходной соевой мукой и определенными функциональными свойствами (такими как пенообразующая способность, стабильность пены, эмульгирующая способность), что обеспечивает расширение области применения соевого сырья в пищевой промышленности.
Разработана принципиальная технологическая схема производства продуктов ферментативной модификации соевой муки. Определены условия проведения основных стадий технологического процесса. Разработаны рекомендации по его реализации в условиях как маслоэкстракционных заводов, так и других пищевых предприятий (пищеконцентратных, хлебозаводов и т.д.).
Разработана техническая документация на производство продуктов ферментативной модификации соевой муки. Проведена промышленная апробация и выпуск опытной партии продуктов ферментативной модификации соевой муки в условиях АО «Колосс», Лобинского маслоэкстракционного завода и ООО «Ростагрокомплекс».
Показана целесообразность применения продуктов ферментативной модификации соевой муки для создания новых продуктов питания повышенной пищевой ценности. Разработано 14 новых видов пищевых продуктов с использованием продуктов ферментативной обработки и кормовая добавка на основе соевой пасты - вторичного продукта ферментативной обработки соевой муки. Разработанные технологические решения прошли промышленную апробацию на 5 пищевых предприятиях. Разработана техническая документация на новые виды пищевых изделий.
Показана целесообразность и разработаны технологические решения для применения продуктов ферментативной обработки соевой муки при производстве кексов и вафель для полной замены дорогостоящего и скоропортящегося сырья - меланжа. Установлено, что применение разработанной рецептуры при производстве этих мучных кондитерских изделий способствует интенсификации технологического процесса и удлинению сроков хранения при гарантированном качестве и высоких потребительских свойствах по органолептическим и физико-химическим показателям.
В результате производственных испытаний и дегустационной оценки в условиях АО «Колосс», АО «Моспищекомбинат», ООО «Ростагрокомплекс», НПФ«Росма», НПФ«Новтэкс» показана целесообразность применения ферментативных соевых гидролизатов в рецептуре деликатесных соусов и приправ, майонезов, экструдированные продукты, супы и даны рекомендации по внедрению.
Разработаны рецептуры и предложены технологические решения для получения инстант- напитков массового применения (на основе соков) и для специализированных групп населения (фитнес- напитки ), а также низкожирного йогуртового напитка, имеющего повышенную пищевую ценность.
Разработаны технологические рекомендации по использованию вторичного продукта ферментативной модификации соевой муки (соевой пасты) в составе питательных сред для производства кормовых дрожжей.
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по направлениям: «Производство продуктов питания из растительного сырья», и «Технология пищевых продуктов функционального и специализированного назначения», «Биотехнология», бакалавров и магистров по направлению «Технология продуктов питания» (в курсах «Пищевая химия», «Общие принципы переработки растительного сырья», «Технология отрасли», при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах, форумах: «Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающую отрасли АПК» (Киев, 1991г.); «Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК»
(Москва, 1995г.); «Прикладная биотехнология на пороге ХХ века» (Москва, 1995г.); «Пищевая промышленность на пороге ХХ1 века» (Москва, 1996г.); «Пищевая промышленность- 2000» (Казань, 1996); «Энергоресурсосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья» (Минск, 1996г.); «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2007г.); «Высокоэффективные пищевые технологи, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006г.); «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации: эффективное использование ресурсов отрасли» (Москва, 2008г.); «Биотехнология. Вода и пищевые продукты», в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008г.); молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика» (Москва, 2008г.); «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 2009г.); межрегиональных научно-практических конференциях: «Пищевая промышленность 2000» (Казань, 1996г.); всероссийских научно- практических конференциях: «Перспективы развития пищевой промышленности России» (Оренбург, 2005г.); молодых ученых и Ш школы им. Академика Н.М.Эмануэля по проблеме «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты» (Москва, 2008г.) «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Самара, 2009г.); научно-практических семинарах, юбилейных конференциях МГУПП: «Применение современных физико-химических и биотехнологических методов при производстве пищевых продуктов» (2001, 2005 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 41 работа, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в зарубежных книжных изданиях (монографиях) и 23 статьи в материалах конференций, конгрессов, форумов, семинаров, научных трудах институтов; в 3 патентах и авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, основные результаты исследований, выводы, список цитированных источников (482 наименования), объем 385 страниц основного текста, содержит 88 таблиц, 83 рисунка; приложения.
Личное участие автора - непосредственное участие на всех этапах постановки задач, проведения экспериментов, теоретического анализа, обобщения результатов, формулирования выводов и положений, а также апробации разработанной продукции.
