Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационных источников 6
1.1 Физиолога - биохимические особенности топинамбура как сырья для хранения и переработки 6
1.2 Перспективные способы хранения растительного сырья в охлажденном состоянии 16
1.3 Изменение качественных показателей растительного сырья при холодильной обработке и хранении 23
1.4 Стабилизация качества растительного сырья при замораживании и хранении 30
1.5 Заключение. Задачи собственных исследований 40
2 Материалы и методы исследования
2.1 Объекты и техника исследования 44
2.2 Методы исследования 45
3 Изучение способов хранения топинамбура при низких положительных и близкриоскопических температурах
3.1 Сравнительные исследования способов хранения топинамбура при низких положительных температурах 60
3.2 Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при созревании и холодильном хранении 65
3.3 Исследование изменений топинамбура при хранении в условиях близкриоскопических температур 70
3.4 Обоснование технологии хранения топинамбура при близкриоскопических температурах 80
3.5 Технологическая схема хранения топинамбура при близкриоскопических температурах 84
4 Изучение изменений топинамбура при замораживании и хранении 87
4.1 Физико-химические изменения топинамбура при различных режимах замораживания и хранения 88
4.2 Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при замораживании и хранении 92
4.3 Изменение лабильных компонентов топинамбура при замораживании и хранении 95
4.4 Изучение влияния технологических факторов на окислительно-восстановительные ферменты в топинамбуре 100
5 Обоснование технологии замораживания и хранения топинамбура 107
5.1 Обоснование способа предварительного бланширования топинамбура перед замораживанием 107
5.2 Математическое обоснование оптимального режима бланширования топинамбура перед замораживанием 113
5.3 Обоснование температурного режима замораживания и хранения топинамбура 119
6 Разработка рецептур и технологий новых видов быстрозамороженных овощных смесей на основе топинамбура 125
6.1 Обоснование выбора основного и вспомогательного сырья 125
6.2 Разработка рецептур и технологий новых видов быстрозамороженных смесей из топинамбура 131
6.3 Расчет ожидаемого экономического эффекта от освоения разработок 150
Выводы 153
Список использованных источников 155
Приложение
- Перспективные способы хранения растительного сырья в охлажденном состоянии
- Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при созревании и холодильном хранении
- Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при замораживании и хранении
- Математическое обоснование оптимального режима бланширования топинамбура перед замораживанием
Введение к работе
Проблема обеспечения населения продуктами здорового (функционального) питания актуальна, особенно для районов с неблагоприятной экологической обстановкой. Избыточное содержание в природной среде солей тяжелых металлов, радиоактивных веществ, фосфоро- и хлорорганических соединений при попадании в организм провоцирует различные заболевания, связанные с нарушениями систем кроветворения и кровообращения, приводит к ослаблению иммунной системы, гормональным расстройствам и дисбактериозу.
Среди комплекса оздоровительных мер чрезвычайно важным является организация профилактического питания населения путем выпуска общедоступных продуктов, повышающих устойчивость организма к экозависимым заболеваниям.
Функциональные продукты питания- это продукты, которые при постоянном употреблении оказывают оздоровительный эффект на организм человека за счет содержания пищевых волокон, макро - и микроэлементов, витаминов, антиоксидантов, пре - и пробиотиков, других физиологически активных веществ.
Уникальным сырьем для создания таких продуктов является
топинамбур. Клубни этого урожайного и неприхотливого растения содержат
20-23% сухих веществ, в том числе белки, пектиновые вещества, витамины
С, РР, группы В, минеральные элементы. Отличительной особенностью
топинамбура и продуктов его переработки является высокое содержание
полифруктозана инулина. Установлено, что инулин является
физиологически активным веществом широкого спектра действия. Имеются данные об образовании комплексов инулина с Са, Ва, Sr, что свидетельствует о его способности выводить ионы тяжелых металлов из организма. Инулин известен также как биогенный фактор, способствующий росту естественной микрофлоры кишечника при различных заболеваниях, связанных с дисбактериозами.
Ассортимент разрабатываемых из топинамбура пищевых продуктов постоянно расширяется, однако его переработка связана с рядом проблем.
Одной из них является ухудшение качества и большие потери сырья в процессе хранения, достигающие 30-50%. Основными причинами потерь и снижения качества клубней при хранении является чрезмерная потеря влаги и поражение их физиологическими и паразитарными заболеваниями.
Одним из способов, позволяющих максимально и надежно сохранить исходные свойства сырья, является замораживание и низкотемпературное хранение.
Однако в научно-технической литературе отсутствуют четкие
рекомендации относительно способов и режимов холодильной обработки
топинамбура. В связи с этим актуальным является выяснение механизмов
формирования качества охлажденных и замороженных продуктов из клубней
топинамбура, что позволит повысить сохраняемость сырья, снизить его
потери, а также увеличить объемы производства продуктов
функционального питания.
Нами предлагается расширить ассортимент продуктов из топинамбура за счет производства на его основе быстрозамороженных овощных смесей, предназначенных как для массового потребителя, так и для отдельных категорий, например больных диабетом. Потребность в таких продуктах достаточно велика, а рыночная ниша остается пока незаполненной.
На решение этих проблем направлена диссертационная работа по теме «Разработка низкотемпературного консервирования топинамбура для производства продуктов функционального питания.
Перспективные способы хранения растительного сырья в охлажденном состоянии
Процесс консервирования тем лучше, эффективнее, чем меньшие изменения он вызывает в продуктах по сравнению с их первоначальными свойствами и чем более длительный срок их хранения он обеспечивает /4/.
В настоящее время из применяемых методов консервирования процессы холодильной обработки и замораживания лучше всего удовлетворяют упомянутым выше требованиям, поскольку по сравнению с другими процессами консервирования, они, с одной стороны, вызывают незначительные изменения продукта, а с другой стороны, обеспечивают достаточно долгую сохраняемость пищи /18,20/.
Способы хранения овощей можно разделить на два: полевой и в стационарных хранилищах. Первый включает хранение в типовых буртах и траншеях /43, 69/. Второй вид - более современный и наиболее приемлемый для южных регионов /130/.
Одним из простых и дешевых является способ хранения клубней топинамбура в почве с выкапыванием их по мере надобности, когда позволяют погодные условия /22/.
Однако в областях, где период созревания и переработки топинамбура, то есть с ноября по апрель, характеризуется неустойчивостью погодных условий, возникает необходимость создания запасов сырья для обеспечения бесперебойной работы технологических линий. В южных районах страны для этих целей необходимы холодильные камеры с искусственным охлаждением. Установки искусственного охлаждения позволяют поддерживать низкую температуру в камерах холодильника в течение всего периода хранения независимо от погодных условий / 58, 124, 125/. Основной проблемой при хранении клубней в камерах с воздушным охлаждением является быстрое увядание клубней и потеря товарного качества. Слабую сохраняемость на воздухе объясняют наличием тонкого пробкового слоя клубней (в противоположность картофелю) и высоким содержанием Сахаров,, вследствие чего они быстро теряют влагу и подвержены воздействию микроорганизмов, для которых являются прекрасным питательным субстратом /58,124/. В рамках обычного хранения овощей при температуре 0- 4иС для снижения потерь рекомендуется: предварительное охлаждение (воздушное, гидроохлаждение, вакуумирование); - мелование сырья и обработка глиной; - переслаивание корнеплодов песком, опилками, сульфатным лигнином; - хранение в открытых полиэтиленовых мешках вместимостью 30-Н5О кг; - регулируемые и модифицированные газовые среды /130/. Предварительное охлаждение представляет собой процесс быстрого понижения температуры собранной продукции, что с самого начала обеспечивает достижение оптимальных режимов хранения и снижает потери от порчи и убыли массы на 5-20% /134/. Собранный урожай плодов и овощей необходимо как можно быстрее поместить в холодильник. Но не все виды продуїщии сразу после уборки загружают в холодильные камеры. Так картофель выдерживают 1-3 недели при температуре 15-18иС для дозревания и зарубцеваыия механичесішх повреждений. Для топинамбура такая выдержка не пригодна, так как клубни из-за тонкого пробкового слоя быстро усыхают и теряют свой товарный вид /132/. Для овощей, "чувствительных к усушке, большой интерес представляет гидро охлаждение /108,.129,148/. Известны три основных разновидности гидроохлаждения: погружение продукции в охлаждаемую воду, орошение охлаждаемой водой и комбинирование двух способов /133/. Существуют и другие, усовершенствованные способы. Так, например, ТСвасенков О.Н., Ломанский В.А. разработали метод гидроохлаждения, используя водный раствор соли жасминовой кислоты с N- гетер ециклическими основаниями /86/. Достоинство этого метода в снижении коррозийного износа используемого для гидроохлаждения оборудования, недостаток - в удорожании процесса гидроохлаждения. Установлено, что обработка свежих корнеплодов аэрозолем или парами пропионовой кислоты, а также их хранение в водопроводной воде с добавлением пропионовой кислоты в 2-5 раза подавляет развитие микроорганизмов и обеспечивает увеличение сроков хранения продукции /72/. В работе /149/ приведены результаты исследования процессов теплообмена при обработке овощей холодной водой, холодным воздухом, или холодно-водным аэрозолем.. Показана высокая эффективность способа обработки овощей холодным аэрозолем. При этом способе на 0,4-1,7% снижаются потери массы овощей и повышается их товарное качество. К недостаткам этого способа относится запотевание овощей, которое может ускорить прорастание.спор плесневых грибов. При хранении сырья, обладающего тонкими покровными тканями, рекомендуется использовать периодическое гидроорошение. В отличие от однократного гидроохлаждения, при данном способе орошение ведется ограниченным количеством воды, необходимым лишь для предотвращения усушки, снятия тепла дыхания, смыва микроорганизмов /109, 147/. Технологический процесс подготовки сырья к хранению с периодическим гидроорошением включает в себя приемку сырья и промывание в охлаждаемой воде (21 С) с целью снижения температуры сырья до 14"С. Цель предварительного промывания сырья перед закладкой на хранение - снизить его микробиальную обсемененность и сократить выделение тепла при дыхании /109/.. Режимы хранения в условиях гидроорошения зависят от вида хранящейся продукции. Например, были разработаны режимы хранения для моркови, огурцов, кабачков / 47, 107, 109/. Выявлено, что расход сухих веществ, Сахаров в корнеплодах хранившихся при периодическом орошении охлажденной водой гораздо ниже, по сравнению с овощами, хранившимися без орошения /87/. Хранение овощей в охлаждаемом хранилище закромным способом с периодическим орошением охлажденной водой полностью исключает убыль и порчу сырья. Однако такое хранение будет экономически целесообразным при небольшом расходе воды /47/.
Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при созревании и холодильном хранении
Особенностью химического состава топинамбура является уникальный углеводный комплекс на основе фруктозы и ее полимеров, высшим гомологом которых является инулин. Инулин - наиболее ценный и, как правило, количественно преобладающий углеводный компонент.
В процессах, связанных с накоплением запасных форм углеводов в клубнях топинамбура, играют роль многие факторы: температура воздуха и почвы, количество выпавших осадков, деятельность фотосинтетического аппарата растения, сроки уборки, условия хранения и другие /22/.
Показано, что созревание топинамбура характеризуется накоплением высокомолекулярной фракции и уменьшением низко молекулярной. В период хранения углеводный комплекс топинамбура претерпевает различные превращения /17/. Они касаются прежде всего инулина и сопутствующих ему полифруктозанов. При теплом хранении клубней спирторастворимые олигофруктозиды высшего ряда немного преобладают над низкомолекулярными, хотя их общее содержание также возрастает но сравнению с исходными.
При холодном хранении количественно преобладают низкомолекулярные олигофруктозиды типа сахарозы, три-, тетра- и пентасахаров. В работе /17/ сделан вывод, что при низкой положительной температуре в клубнях происходит более глубокая деполимеризация инулина, за счет которой образуются и накапливаются фруктозиды с низкой степенью полимеризации. В течение ряда лет нами изучался углеводный состав свежеубранных клубней топинамбура и его изменения при хранении в различных условиях. В таблице 10 представлены данные об углеводном комплексе топинамбура сорта «Интерес» урожая 2000-2004 годов. Из данной таблицы видно, что количество редуцирующих и общих Сахаров в клубнях топинамбура остается относительно постоянным, однако количество инулина сильно варьирует, что можно объяснить влиянием погодных условий и, возможно, значительной вариабельностью данного признака у топинамбура. Представляло также интерес проследить за изменениями углеводного комплекса топинамбура в процессе созревания. Из таблицы 11 следует, что количество редуцирующих Сахаров остается стабильным в течение исследуемого периода, а общие сахара и инулин претерпевают ряд изменений. Так, количество инулина вначале возрастает в связи с созреванием клубнеплода, а затем начинает падать. По-видимому это связано с ранними заморозками, которые в 2001 году приходились на начало ноября. Воздействие отрицательных температур на растительные объекты обычно сопровождается гидролизом запасных форм углеводов. В свою очередь содержание общих Сахаров увеличивается с 28.10,2001 по 16.11.2001 наЗ,84%. Данные о составе углеводов в свежеубранных клубнях топинамбура и хранившихся в различных видах упаковки при t= 0-н-4С представлены на рисунках 7, 8, 9. Из рисунка 7 можно видеть, что редуцирующие сахара во всех исследованных вариантах существенных изменений не претерпевали, их количество повысилось к концу хранения всего на ОД-0,2%. Из рисунков 8 и 9 следует, что в течение первых двух месяцев содержание инулина снизилось в среднем на 4%, а спирторастворимых Сахаров- соответственно увеличилось на 4-6%. Сопоставление характера изменения редуцирующих и общих Сахаров дает основание полагать, что деструїщия инулина в процессе хранения происходит с образованием ол игосахаридов. Вид упаковки на превращения углеводов в процессе хранения клубней топинамбура существенного влияния не оказывает. Таким образом, сравнительные исследования различных способов хранения топинамбура при низких положительных температурах показали, что основная причина изменения качества сырья - испарение влаги клубнями топинамбура, обусловленное особенностями их анатомического строения. Для регулирования влагообмена необходимо применять дополнительные меры, из которых наиболее эффективны хранение в полимерных мешках и упаковка в полимерную пленку. Однако это усложняет процесс подготовки сырья к хранению, сопряжено с затратами на специальное оборудование камер, приобретение упаковки и ее утилизацию. Поэтому поиск решения проблемы был продолжен в области отрицательных температур.
Изменение содержания углеводов в клубнях топинамбура при замораживании и хранении
Углеводный комплекс топинамбура обуславливает его пищевую ценность- и физиологическую активность, поэтому изменения, происходящие в его составе при замораживании и холодильном хранении представляют научный и практический интерес. Данные об изменении углеводного комплекса топинамбура представлены на рисунках 21, 22 и 23. На рисунке 21 показано изменение редуцирующих Сахаров при замораживании и хранении. В первый месяц хранения как при -18С, так и при -30С содержание редуцирующих Сахаров в небланшированных (н/б) образцах снизилось на 0,1-Ю,2%, в бланшированных (бл) - увеличилось на 0,3-0,4%. К концу хранения содержание редуцирующих Сахаров незначительно отличалось от исходного значения. В бланшированных образцах топинамбура изменения общих Сахаров и инулина имеет аналогичный характер. Разница заключается в том, что начальное содержание углеводов ниже вследствие потерь при бланшировании. Это дает основание полагать, что отмеченные изменения в углеводном комплексе носят, скорее всего, неферментативный характер.
Полученные результаты говорят о том, что температура хранения замороженного топинамбура, не оказывает существенного влияния на изменение массы, содержание сухих веществ, величину рН и углеводный состав топинамбура. В замороженном топинамбуре углеводный комплекс гораздно более стабилен, чем в охлажденном (см. п. 3.2). Так, скорость гидролиза инулина в замороженных продуктах в 6 раз меньше, чем в охлажденных и хранившихся при t= (Н+4С. Проблема сохранения высокого качества продуктов при хранении в замороженном состоянии наряду с сохранением исходных органолептических свойств продуктов сводится к максимальному ограничению потерь физиологически важных микрокомпонентов, особенно витаминов. Влияние продолжительности хранения замороженных пищевых продуктов на сохранность витаминов явилось предметом изучения ряда исследований. Наибольшее количество исследований посвящено изменениям содержания витамина С (аскорбиновой кислоты). Общепринятым является мнение, что превращения аскорбиновой кислоты в замороженных продуктах сводится к ее окислению до дегидроаскорбиновой кислоты и затем до 2, 3 — днкетогулоновой кислоты. Первые два вещества являются физиологически активными, а третье - в диетическом отношении бесполезно. Превращения аскорбиновой кислоты обусловлены ферментативными процессами, катализируемыми в частности аскорбиназами, фенолоксидазами и тканевыми пероксидазами или же химическими процессами, происходящими особенно интенсивно в среде с повышением рН. В связи с этим потери витамина С при хранении замороженных овощей часто выше, чем в плодах. Имеются данные, согласно которым скорость окисления витамина С пропорциональна содержанию воды в продуктах. Содержание аскорбиновой кислоты в связи с ее лабильностью по отношению к воздействию внешних факторов молено использовать как показатель качества при обработке и хранении растительных продуктов.
Проведенные в Польше исследования показали, что общие потери витамина С. в бланшированных овощах значительно меньше (15-27% исходного содержания), чем в овощах небланшированных - потери составляют от 40 до 64% исходного содерлсания. Считается, что бланширование овощей перед замораживанием увеличивает стойкость витамина С и способствует сохранению органолелтических свойств продукта. Установлено также, что из замороженных овощей наибольшие потери витамина С, достигающие 60-70%, характерны для сортов, подверженных ферментативному покоричневеняю. Топинамбур не отличается высоким содержанием витамина С, однако его изменение в замороженном сырье представляет интерес, так как служит критерием для выбора технологического режима холодильной обработки. Изменение витамина С в бланшированном и небланшированном топинамбуре, хранившемся при минус 18 С и при минус 30 С, представлены на рисунках 24 и 25.
Математическое обоснование оптимального режима бланширования топинамбура перед замораживанием
Анализ совокупности полученных данных об изменении органолептических показателей, массовой доли сухих веществ, углеводного состава, витамина С и ферментов показал, что снижение конечной температуры замораживания топинамбура до минус 30С не дает существенного выигрыша в качестве, однако приводит к увеличению энергозатрат. В связи с этим, в существующих экономических условиях наиболее приемлемым режимом длительного хранения замороженного топинамбура следует считать температуру минус 18С. Для подтверждения данного предположения топинамбур сортировали, мыли, бланшировали в молочной (творожной) сыворотке, охлаждали, удаляли остатки влаги, замораживали в скороморозильном аппарате до температуры минус 18С, упаковывали в полимерные мешки по 0,5 кг и хранили при этой температуре в течение шести месяцев. В процессе хранения нами рассматривались изменения химического состава, характеризующие качество сырья. Существенное отличие топинамбура от других овощей проявляется в высоком содержании в его клубнях белка - 3,80% на сырой вес. Белки играют важную роль в поддержании процессов жизнедеятельности живого организма, являются основным материалом, из которого строятся клетки, ткани и органы человека. Они являются обязательным компонентом пищи. В пищевых продуктах содержатся белки, состоящие как из одних аминокислот, так из аминокислот и небелковой части. При поступлении белков (с пищей) ниже рекомендуемых норм, в организме начинают распадаться белки тканей (печени, плазмы крови), а образующиеся аминокислоты - расходоваться на синтез ферментов, гормонов и. других необходимых для поддержания жизнедеятельности организма биологически активных соединений. Клетки организма человека не могут синтезировать необходимые белки, если в составе пищи отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота. Средняя суточная физиологическая потребность человека в белке в течение более чем ста лет исследуется учеными и достижения в данной области периодически отражаются в решениях ВОЗ, ФАО и национальных организаций различных стран. Эти величины носят ориентировочный характер.
В соответствии с рекомендациями ВОЗ и ФАО величина оптимальной потребности в белке составляет 60-100 г в сутки или 12-15% от общей калорийности пищи /89/. Пищевая ценность белков различных видов зависит от их аминокислотного состава. Наибольшее значение для определения полноты усвоения белков из 20 аминокислот имеют лишь 8, которые являются незаменимыми в питании взрослого человека. Содержание белковых веществ в растительном сырье и их изменения при холодильном консервировании являются важным показателем, определяющим качество замороженных продуктов. Известно, что льдообразование в биологическом материале сопровождается увеличением концентрации веществ в клеточном: соке, изменением рН среды, явлениями дегидратации и механическим воздействием кристаллов льда на ткани и макромолекулы. Под действием перечисленных фаісгоров может изменяться структура и свойство белковых молекул, причем направленность и степень этих изменений будут зависеть от скорости и глубины замораживания, продолжительности хранения и свойств белка /40,52,167,170,171/. Аминокислотный состав топинамбура представлен 16 аминокислотами, из которых 8 являются незаменимыми, которые не синтезируются Б организме человека: аргинин, валии, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, триптофан, фенилаланин.
Скор изолейцина и лизина превышает 100%. Результаты исследования состава аминокислот представлены в таблице 20, из которых следует, что количество аминокислот остается практически постоянным в течение всего периода хранения топинамбура в замороженном состоянии. Для получения развернутой характеристики качества замороженного топинамбура исследовали его химический состав в сравнении с исходным сырьем. О качестве замороженного продукта судили по следующим показателям: содержание сухих веществ, кислотности активной и титруемой, редуцирующих и общих Сахаров, инулина, изменению состава азотистых веществ, витаминов, а также золы. Химический состав свежего топинамбура, а также замороженного по предлагаемой технологической схеме (см. с. 144) и хранившегося при минус 18иС в течение шести месяцев представлен в таблице 21. Из таблицы 21 видно, что различия в содержании сухих веществ составляют всего 1,7-2%. Замороженный продукт характеризуется более высокой кислотностью, чем исходное сырье - результат бланширования в молочной (творожной) сыворотке. Ряд незначительных изменений претерпевает углеводный комплекс топинамбура: количество инулина меньше в замороженном образце на 1,2%, но в то же время увеличивается количество общих Сахаров на 0,65%. Количество азота общего, белкового и небелкового, а также золы изменяется в процессе замораживания и хранения топинамбура менее чем на 1%. Достаточно хорошо сохраняется витаминный комплекс, не считая витамина С. Однако его невысокий уровень в свежем сырье не позволяет отнести к основным витаминам, определяющим биологическую ценность топинамбура.
