Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы и патентной информации по теме исследования 10
1.1 Состав, строение, физико-химические и физиологические свойства пектинов 10
1.2 Основные способы получения пектина из растительного сырья 19
1.3 Пищевая ценность продуктов переработки створок зеленого горошка и использование их в производстве хлебобулочных изделий 40
2 Объекты и методы исследований 46
2.1 Организация работы и схема проведения исследования 46
2.2 Объекты исследования 46
2.3 Методы исследования 48
3 Экспериментальная часть 51
3.1 Исследование химического состава створок зеленого горошка 51
3.2 Исследование основных процессов извлечения пектиновых веществ из створок зеленого горошка 53
3.2.1 Влияние параметров процесса набухания створок зеленого горошка на выход сухих веществ 53
3.2.2 Влияние параметров процесса гидролиза-экстрагирования на физико-химические показатели качества пектиновых экстрактов и выход спиртоосаждаемых пектинов из створок зеленого горошка 55
3.2.3 Определение оптимальных условий извлечения пектина из створок зеленого горошка 60
3.3 Разработка технологии получения пектина из створок зеленого горошка 70
3.4 Физико-химические свойства пектина, полученного из створок зеленого горошка 74
3.5 Обоснование целесообразности использования пектина, полученного из створок зеленого горошка, в производстве хлебобулочных изделий 80
3.6 Влияние пектина, полученного из створок зеленого горошка, на хлебопекарные свойства муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта и реологические свойства теста 82
3.7 Разработка технологии хлебобулочных изделий с использованием пектина, полученного из створок зеленого горошка 87
3.7.1 Рецептуры и способы приготовления хлеба для лабораторных выпечек 87
3.7.2 Влияние пектина из створок зеленого горошка на качество хлеба, приготовленного безопарным способом 90
3.7.3 Влияние пектина из створок зеленого горошка на качество хлеба, приготовленного опарным способом 96
3.7.4 Определение оптимальной дозировки пектина из створок зеленого горошка при производстве хлеба, приготовленного безопарным и опарным способами 101
3.7.5 Технология хлеба с использованием пектина из створок зеленого горошка 107
3.7.6 Технология булочных изделий с использованием пектина из створок зеленого горошка 112
3.8 Определение комплексообразующей способности пектина, содержащегося в хлебе «Кавказский» 116
4 Социально-экономическая эффективность производства разработанной продукции 118
Выводы 125
Список использованной литературы 127
Приложения 154
- Основные способы получения пектина из растительного сырья
- Влияние параметров процесса гидролиза-экстрагирования на физико-химические показатели качества пектиновых экстрактов и выход спиртоосаждаемых пектинов из створок зеленого горошка
- Влияние пектина, полученного из створок зеленого горошка, на хлебопекарные свойства муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта и реологические свойства теста
- Социально-экономическая эффективность производства разработанной продукции
Основные способы получения пектина из растительного сырья
В настоящее время пектины получают из различных видов сырья: выжимок цитрусовых плодов и яблок, свекловичного жома, корзинок подсолнечника, плодовых оболочек (створок) хлопчатника, выжимок винограда, коры хвойных деревьев, мякоти и сока арбузов, тыквы, кабачков и огурцов, выжимок айвы, шелухи какао и др. [61, 230]. Перпективными нетрадиционными источниками пектинов являются – амарант, люпин, дайкон [125] и многие другие растения [1, 6, 11, 61, 66, 82, 85, 95, 204, 208, 209, 211, 223, 227, 229].
Современное производство пектина мировыми компаниями базируется на технических и технологических решениях, секрет которых охраняется производителями. В промышленных технологиях пектинов имеется много «ноу-хау» как в области научного обоснования ведения технологических процессов, так и в использовании модифицированного или специально разработанного оборудования [3, 15, 48, 94].
Несмотря на большое разнообразие технологий выделения пектинов из растительных тканей все они включают сходные технологические операции, которые различаются их практической реализацией [87].
Технологии получения пектинов состоят в основном из следующих стадий [61]: – подготовка растительного пектиносодержащего сырья к экстрагированию пектинов; – гидролитическое расщепление протопектинового комплекса при помощи кислот, щелочей, ферментов, физического воздействия и т.д., экстрагирование гидратопектина; – фильтрация, очистка и концентрирование пектиносодержащего экстракта; – коагуляция пектина; – очистка пектина, сушка, измельчение, просеивание.
Качество производимого пектина зависит от физико-химических свойств пектиносодержащего сырья, способов его подготовки и технологии производства.
Во влажном состоянии сырье при хранении под воздействием плесени подвергается быстрой порче, поэтому для экстрагирования пектина необходимо использовать его в свежем виде или после консервирования –сульфитирования, сушки, замораживания и др.
Сульфитирование заключается в обработке сырья диоксидом серы 0,15–0,20 %-ной концентрации. Срок хранения сульфитированного сырья при температуре 0 оС и содержании диоксида серы 0,2 % составляет девять месяцев, при 18 оС – от трех до четырех месяцев, при 35 оС – до одного месяца. К недостаткам использования сернистого газа при консервировании сырья относятся его токсичность и быстрый износ оборудования вследствие коррозирующего воздействия на металл [10].
К наиболее прогрессивным и распространенным способам консервирования пектиносодержащего сырья относится сушка. Технологические параметры сушки зависят от типа сушильной установки, режима подвода тепла и используемого теплоносителя. Способ сушки зависит от анатомического строения и морфологии растительных клеток. Проведенные экспериментальные исследования показали, что температура нагрева ткани растительного сырья не должна превышать 80– 85оС, так как дальнейшее повышение температуры приводит к деградации пектиновых веществ и снижению его выхода. Для хранения рекомендуется использовать сушеные яблочные выжимки с конечной влажностью не выше 8 %, цитрусовые – 10 %, свекловичный жом – 14 %, при этом срок хранения сушеного пектиносодержащего сырья составляет не более 10 месяцев. Увеличение продолжительности хранения приводит к снижению студнеобразующей способности пектинов на 10–12 % [61].
Для интенсификации процесса экстрагирования пектина растительное сырье замораживают до температуры минус 30–40 оС с последующей дефростацией горячей водой. В отличие от термической обработки, при которой происходит частичная деструкция макромолекулы пектина и снижение молекулярной массы, замораживание не приводит к снижению молекулярной массы пектина, его вязкости и комплексообразующей способности [142].
Предварительная подготовка сырья включает измельчение или дробление его до размеров частиц, при которых достигается максимальная скорость массообмена в системе пектиносодержащее сырье – жидкость. Скорость диффузионного процесса переноса пектина в значительной степени определяется структурой пектиносодержащего сырья, которая индивидуальна для каждого вида растительных продуктов.
Согласно данным, приведенным в источниках литературы, для извлечения пектинов из яблочных выжимок оптимальными являются размеры частиц 0,3–1,0 мм, апельсиновых – 0,4 мм, свекловичного жома – 0,4–1,3 мм, корзинок подсолнечника – 1,0–2,0 мм, створок зеленого горошка – 4,0–10,0 мм [61, 90, 92, 148].
Подготовка растительного материала к гидролизу и экстрагированию предусматривает удаление восстанавливающих сахаров, белков, неорганических и др. балластных веществ, нежелательных в пектиновом производстве, и подготовку клетки, в основном её оболочки к гидролизу-экстрагированию. Выбор предварительной подготовки способа зависит от используемого сырья [131]. Известен способ подготовки пектиносодержащего сырья (яблочных, цитрусовых, свекловичных, мандариновых и др. выжимок), при котором для удаления растворимых балластных веществ сырье промывают водой температурой 15–50 оС до остаточного содержания сухих веществ в промывных водах 0,5 % [151].
При получении пектинов из коры лиственницы сибирской или лиственницы даурской (Гмелина), а также из их смеси разработан способ подготовки сырья, заключающийся в его последовательной обработке этилацетатом для освобождения от фенольных и липидных соединений, а затем водой для удаления танинов [154].
Подготовка створок зеленого горошка к гидролизу-экстрагированию предусматривает замачивание сырья в воде температурой 20 оС при соотношении 1 : 3 в течение 5 минут, фильтрование с отделением жома, экстрагирование балластных веществ водой температурой 45–55 оС в течение 25–35 минут при соотношении жом : вода – 1 : 6, охлаждение экстракта до температуры 20 оС и фильтрование с отделением жома [147].
В способе подготовки подсолнечника к выделению пектина высушенные и измельченные корзинки и стебли предварительно обрабатывают солевым раствором, содержащим ионы натрия, в статических или динамических режимах для обмена ионов кальция. Пектиносодержащее сырье и воду загружают в непрерывные экстракторы и устанавливают режим потока по воде, затем подают раствор соли. Соотношение твердой и жидкой фаз изменяется от 1:15 до 1:25 в зависимости от величины размера частиц сырья. После обработки сырья солевым раствором его промывают водой до полного удаления хлорид-ионов [172].
Доказана целесообразность предварительного проведения перед гидролизом протопектина процесса набухания сухого свекловичного жома и установлены оптимальные параметры, при которых увеличивается студнеобразующая способность и повышается содержание чистого пектина в товарном продукте – температура 50–90 оС, продолжительность – 24–30 минут [189].
Установлена возможность повышения качества и выхода пектина от 35,9 % до 49,4–63,9 % за счет предварительной обработки пектиносодержащего сырья СВЧ-излучением [12].
Имеются сведения об улучшении качественных показателей пектинов вследствие предварительной обработки растительных продуктов биохимическим способом. Так, для повышения качества целевого продукта рекомендуется обработка измельченных корзинок подсолнечника перед гидролизом-экстрагированием раствором пектолитического ферментного препарата концентрацией 0,1–0,3 % к сухой массе сырья в течение 30–60 минут при температуре 35–45 оС [173].
Разработана технология получения пектинового экстракта из свекловичного жома за счет применения ферментного препарата целловиридина на этапе предварительной обработки сырья. Установлена оптимальная концентрация целловиридина – 0,1 %, при которой достигается наилучший технологический эффект [182].
Проведены исследования по химической подготовке сырья к гидролизу.
Для улучшения студнеобразующей способности, повышения чистоты и выхода пектина свекловичный жом и яблочные выжимки смешивают в соотношении 1: (1–9), добавляют фосфат целлюлозы в количестве 2–4 мас. %, проводят набухание сырья в смеси ультрафильтрата с водой в соотношении 1: (1– 2) при гидромодуле 1:10 в течение 1,0–1,5 часа [165].
С целью повышения качества пектина из яблочных выжимок сырье промывают в течение 15 минут холодной водой температурой 20 оС при соотношении выжимки – вода 1:10, отфильтровывают, заливают раствором уксусной кислоты до рН 4,0–4,5, перемешивают и выдерживают 15–20 минут при температуре смеси 30–40 оС. Смесь фильтруют, набухшие выжимки промывают водой температурой 45 оС и снова фильтруют [174].
Влияние параметров процесса гидролиза-экстрагирования на физико-химические показатели качества пектиновых экстрактов и выход спиртоосаждаемых пектинов из створок зеленого горошка
При определении влияния гидролизующих агентов и рН-среды на качество пектинового экстракта и выход спиртоосаждаемых пектинов из створок зеленого горошка в качестве экстрагентов использовали растворы лимонной, винной и молочной кислот с концентрацией от 0,6 до 1,4 %. Исследование проводили при температуре 80 оС, продолжительности гидролиза-экстрагирования – 90 минут и соотношении жидкой и твердой фаз 1 : 14.
Гидролизующие агенты и параметры процесса гидролиза-экстрагирования выбирали на основании данных, имеющихся в научной литературе и патентной информации [17, 61, 137, 178].
Зависимость физико-химических показателей качества пектиновых экстрактов и выхода спиртоосаждаемых пектинов от вида и массовой доли пищевых кислот, используемых для гидролиза-экстрагирования, представлены в таблице 3.
Из полученных экспериментальных данных следует, что наиболее высокое содержание растворимых сухих и пектиновых веществ в экстракте, а также выход пектинов достигается при использовании 1 %-ных растворов кислот.
Применение в качестве экстрагента 1%-ного раствора винной кислоты обеспечивает максимальный выход пектина и наилучшую «чистоту» пектинового экстракта. Использование винной кислоты концентрацией менее или более 1 % снижает выход пектина.
На основании результатов исследования установлено, что для получения пектина из створок зеленого горошка в качестве гидролизующего агента целесообразно использовать 1%-ный раствор винной кислоты, обеспечивающий высокое качество пектинового экстракта и максимальный выход пектина.
Так как на процесс гидролиза протопектина и экстрагирования пектина большое влияние оказывает температура [125, 140], было проведено исследование влияния температуры в интервале от 70 до 85 оС на физико-химические показатели качества пектиновых экстрактов из створок зеленого горошка и выход спиртоосаждаемых пектинов.
В качестве гидролизуещего агента использовали 1%-ный раствор винной кислоты. Продолжительность гидролиза-экстрагирования составляла 90 минут при гидромодуле 1:14.
Результаты исследования приведены в таблице 4. С повышением температуры процесса гидролиза-экстрагирования от 70 до 78оС содержание сухих и пектиновых веществ в экстракте увеличивалось на 48,0 и 65,4 % соответственно, при этом возрастали значения показателей «чистоты» и выхода спиртоосаждаемых пектинов.
Максимальный выход пектина отмечен при температуре 78 оС. Дальнейшее повышение температуры до 80 оС приводило к незначительному снижению массовой доли сухих и пектиновых веществ в экстракте и выхода спиртоосаждаемых пектинов.
Наиболее высокое значение показателя «чистоты» пектиновых экстрактов достигалось в интервале температур 78–80 оС.
При температуре 85 оС выход пектина снижался, что связано, вероятно, с гидролизом цепей рамногалактуронана.
Следует отметить, что проведение процесса гидролиза-экстрагирования в интервале температур 78–80 оС позволяет получать более светлый экстракт, чем при других температурах. Результаты исследования свидетельствуют о целесообразности проведения процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ, содержащихся в створках зеленого горошка, при температуре 78–80 оС.
При изучении влияния продолжительности процесса гиролиза-экстрагирования на физико-химические показатели качества пектиновых экстрактов и выход спиртоосаждаемых пектинов время процесса изменяли от 70 до 100 минут с шагом 10 минут; концентрация винной кислоты составляла 1 %, температура – 80 оС, значение гидромодуля – 1 : 14.
Полученные результаты приведены в таблице 5.
Из данных таблицы 5 видно, что содержание сухих и пектиновых веществ в экстракте, «чистота» пектиновых экстрактов и выход пектинов зависят от продолжительности гидролиза-экстрагирования. С увеличением длительности процесса от 70 до 90 минут массовая доля сухих и пектиновых веществ в экстракте повышается на 17,8 и 40,3 % соответственно. Также происходит увеличение значений «чистоты» пектиновых экстрактов и выхода спиртоосаждаемых пектинов.
С возрастанием продолжительности гидролиза-экстрагирования от 90 до 100 минут содержание сухих, пектиновых веществ в экстракте и выход пектинов снижались незначительно. Органолептические показатели качества пектинового экстракта и его «чистота» не изменялись. Результаты исследования дают основание рекомендовать проведение процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ, содержащихся в створках зеленого горошка, в течение 90–100 минут.
Существенное влияние на извлечение пектиновых веществ из сырья оказывает гидромодуль – соотношение расхода масс сырья и экстрагента. Оптимальным является гидромодуль, при котором обеспечивается полная гидратация сырья, и наличие свободной жидкости в гидролизной смеси [61].
Для определения оптимального гидромодуля соотношение масс сырья и экстрагента изменяли от 1 : 12 до 1 : 15. Исследование проводили при температуре 78оС, концентрации винной кислоты – 1 % и продолжительности процесса – 90 минут.
Экспериментальные данные приведены в таблице 6.
Влияние пектина, полученного из створок зеленого горошка, на хлебопекарные свойства муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта и реологические свойства теста
К основным факторам, характеризующим хлебопекарные свойства пшеничной муки, относятся сила муки и газообразующая способность.
Сила муки зависит от состояния белково-протеиназного комплекса. На показатель «сила муки» оказывает влияние содержание белковых веществ, протеолитических ферментов, активаторов и ингибиторов протеолиза, пентозанов, липидов, крахмала, но главным фактором является количество и качество клейковины.
Для установления влияния пектина из створок зеленого горошка на свойства клейковины пектин вносили в тесто в сухом виде в количестве от 0,25 до 2,0 % с шагом 0,25 % к массе муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта. Контролем служила проба теста без пектина. Результаты исследования представлены на рисунке 13.
Из данных, приведенных на рисунке 13, видно, что введение пектина из створок зеленого горошка в тесто в дозировках от 0,25 до 2,0 % к массе муки приводит к снижению содержания сырой клейковины по сравнению с контролем на 2,0–16,9 %. При этом происходит её укрепление, о чем свидетельствуют показания прибора ИДК-1М. Укрепление клейковины, вероятно, происходит в результате уплотнения третичной и четвертичной структур молекул протеинов, вследствие образования ионных, водородных и других связей при взаимодействии белков муки с карбоксильными и гидроксильными группами молекул полигалактуроновых кислот. Упрочнение внутриглобулярной структуры белковых веществ возможно за счет образования дисульфидных связей в результате окисления сульфгидридных групп белков муки, что делает структуру белка более плотной, жесткой и менее атакуемой протеиназами [75].
Выявлено, что при введении пектина из створок зеленого горошка в количестве свыше 1,0 % к массе муки содержание сырой клейковины снижается до значения ниже допустимого ГОСТом 26574-2017 для муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта.
О влиянии пектина из створок зеленого горошка на газообразующую способность (ГОС) муки пшеничной высшего сорта судили по объему диоксида углерода, выделившегося за пять часов брожения теста. Пектин вводили в сухом виде в количестве от 0,25 до 2,0 % к массе муки при приготовлении теста, тщательно перемешивая с мукой. В качестве контроля использовали пробу теста без пектина.
Экспериментальные данные, полученные при исследовании влияния дозировок пектина из створок зеленого горошка на ГОС муки, приведены на рисунке 14.
Результаты исследования показывают, что при введении пектина из створок зеленого горошка в тесто ГОС муки по сравнению с контролем повышается. Максимальное значение ГОС достигается в пробе теста с 0,75 %-ной дозировкой пектина. Это, вероятно, вызвано тем, что за счет внесенного пектина повышается сахаробразующая способность муки, и, как следствие, происходит интенсификация газообразования [75].
С увеличением дозировки пектина свыше 0,75 % к массе муки ГОС муки снижается, однако во всех вариантах остается выше, чем в контрольной пробе. Уменьшение степени газообразования при внесении пектина в количестве 1,0– 2,0% к массе муки является результатом укрепления клейковины, снижения эластичности клейковинного каркаса, что при значительном газообразовании приводит к потерям диоксида углерода.
Большое влияние на реологические свойства теста и качество хлебобулочных изделий оказывает автолитическая активность муки, которая определяется по показателю «число падения». Так как при разработке новых сортов хлебобулочных изделий будет использован пектин из створок зеленого горошка, проведено исследование по установлению его влияния на автолитическую активность муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта (рисунок 15).
Из полученных данных следует, что с возрастанием дозировки пектина от 0,25 до 2,0 % к массе муки показатель «число падения» увеличивается по сравнению с контролем на 1,2–8,4 %, что свидетельствует о снижении амилолитической активности ферментов. Это происходит, вероятно, вследствие взаимодействия пектина с белковыми веществами и крахмалом муки. Пектин, вступая в реакцию электростатического взаимодействия с белками клейковины, образует белково-полисахаридные комплексы, а также, возможно, инактивирует протеолитические ферменты муки [83].
Результаты исследования подтвердили целесообразность использования пектина из створок зеленого горошка для регулирования хлебопекарных свойств муки с повышенной автолитической активностью.
С помощью программы Statistika 8.0 проведена математическая обработка экспериментальных данных и корреляционно-регрессионный анализ между показателями хлебопекарных свойств смеси муки пшеничной высшего сорта с пектином из створок зеленого горошка (таблица 13).
Установлена высокая прямая корреляционная зависимость по шкале Чеддока между содержанием сырой клейковины и ее качеством; высокая обратная зависимость между содержанием, качеством сырой клейковины и числом падения. Отмечена заметная корреляция: положительная – между газообразующей способностью муки и числом падения и отрицательная – между газообразующей способностью муки, содержанием и качеством клейковины.
На основании полученных результатов исследования влияния пектина из створок зеленого горошка на хлебопекарные свойства муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта доказана нецелесообразность использования при разработке технологии хлебобулочных изделий дозировок пектина из створок зеленого горошка более 1,0 % к массе муки.
Социально-экономическая эффективность производства разработанной продукции
По состоянию на 1 января 2019 г. стоимость пектина на внутреннем рынке России составляла в среднем 17 долларов США или 1105 руб. за 1 кг.
Расчет затрат на производство пектина из створок зеленого горошка приведен в таблице 23.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения новой технологии производства пектина из створок зеленого горошка – 189 тыс. руб. за 1 т продукции.
С целью установления затрат на производство хлеба «Кавказский» из муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта с пектином из створок зеленого горошка проведен расчет себестоимости хлеба, приготавливаемого безопарным и опарным способами в условиях пекарни, производительностью 2924,13 т/год.
Выполненные расчеты показали, что оптовая цена хлеба белого из муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта составляет 16,4 руб., хлеба «Кавказский», приготовленного безопарным способом с внесением пектина в количестве 0,75 % к массе муки, – 21,4 руб., хлеба «Кавказский», приготовленного опарным способом с внесением пектина в количестве 0,5% к массе муки, – 19,4 руб. Увеличение стоимости разработанных изделий по сравнению с контролем обусловлено введением в рецептуру хлеба белого дополнительного ингредиента – пектина из створок зеленого горошка.
Предложенные технологии новых сортов хлеба являются экономически выгодными: прибыль от реализации 1 т хлеба «Кавказский», приготовленного безопарным и опарным способами, составляет 2590 и 2352 руб. соответственно.
Социальный эффект от реализации результатов работы определяется рациональным использованием сырьевых ресурсов и расширением ассортимента продуктов питания функционального назначения с улучшенными потребительскими свойствами.