Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние технологии функциональных желейных продуктов питания 6
1.1 Основные принципы создания функциональных продуктов питания 6
1.2 Биологически активные вещества лечебных пищевых растений 15
1.3 Роль пищевых волокон в питании человека 23
1.4 Пектиновые вещества и особенности их студнеобразования 27
1.5 Основные способы производства желейных изделий 35
2 Объекты и методы исследования 39
2.1 Схема проведения исследования 39
2.2 Характеристика объектов исследования 40
2.3 Методы исследования качественных показателей сырья и разработанных продуктов питания 44
3 Исследование влияния химического состава лекарственного сырья на механизм студнеобразования 47
3.1 Фракционный состав пектиновых веществ исследуемого лекарственного сырья 47
3.2 Аналитические характеристики пектинов, выделенных из лекарственного сырья 50
3.3 Классификация исследуемого сырья по комплексообразующей способности 54
4 Исследование влияния аналитических характеристик пектина на механизм студнеобразования 58
4.1 Влияние содержания метоксильной и ацетильной составляющих на тип студня 58
4.2 Влияние содержания степени этерификации на механизм студнеобразования 62
4.3 Комплексное влияние функциональных групп пектина на процесс студнеобразования 64
4.4 Аналитическая зависимость функциональных групп пектина и прочности пектинового студня 68
5 Разработка технологии желейных изделий функционального назначения 72
5.1 Влияние вида лекарственных растений на качество и пищевую ценность желейных изделий 72
5.2 Аппаратурно-технологическая схема производства желейных изделий с фитодобавками 77
Выводы и предложения 82
Список используемых источников 84
Приложения 98
- Биологически активные вещества лечебных пищевых растений
- Характеристика объектов исследования
- Аналитические характеристики пектинов, выделенных из лекарственного сырья
- Влияние содержания степени этерификации на механизм студнеобразования
Введение к работе
Проблема качества и безопасности пищевой продукции одна из самых актуальных в современном мире. Продукты питания должны не только удовлетворять потребности организма в питательных веществах и энергии, но и выполнять профилактические и лечебные функции. Концепцией государственной политики [55] в области здорового питания населения на период до 2005 года, принятой Правительством Российской Федерации (Постановление № 917 от 10 августа 1998 г.), предусматривается разработка технологий качественно новых продуктов питания целевого назначения для улучшения пищевого статуса населения.
Создание продуктов питания нового поколения в настоящее время немыслимо без применения пищевых и биологически активных добавок, которые бы способствовали профилактике хронической интоксикации, выведению из организма таких чужеродных веществ как радионуклиды, соли тяжелых металлов, пестициды и др.
Наибольшей радиопротекторной и детоксицирующей способностью обладают пектины и пектинопродукты [21, 32, 33, 53, 63, 65].
Пектины также обладают способностью пролонгировать и потенцииро-вать действие некоторых лекарственных веществ, снижать их токсичность и устранять побочное действие [22].
Сложившаяся в последнее время структура питания приводит к увеличению числа заболеваний сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта. Поэтому, одним из актуальных вопросов является коррекция питания населения: включение в рацион продуктов с повышенным содержанием пищевых волокон, витаминов, минеральных веществ, дефицит которых в питании является серьезной проблемой в нашей стране.
Одним из источников биологически активных веществ являются лекарственные растения [9, 19, 38, 76, 79, 107].
В связи с выше изложенным актуальной задачей является разработка технологии пектиносодержащих желейных изделий функционального назначения с различными фитодобавками.
Значительное содержание низкоэтерифицированных пектиновых веществ придает желейным изделиям лечебно-профилактические свойства, а фи-токомплексы лекарственных растений обогащают их естественным комплексом таких биологически активных веществ как витамины, минеральные вещества, кумарины и фурокумарины, алкалоиды, сапонины и многие другие.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями Концепции государственной политики в области здорового питания населения.
Биологически активные вещества лечебных пищевых растений
В далеком прошлом растения были почти единственным источником лекарственных средств. Сведения об использовании целебных свойств растений можно найти в памятниках древнейшей культуры - санскритской, европейской, китайской, греческой, латинской. Обширный материал о применении лекарственных растений, например, был обнаружен при изучении папируса, где содержались рецепты, которые применяли древние египтяне для лечения многих заболеваний.
Другим примером может служить «Канон врачебной науки», написанный выдающимся представителем арабской медицинской школы Абу Али Ибн Синой, который в свое время был настольной книгой не только арабских, но и европейских врачей. Автор описал в книге около 900 видов лекарственных растений и способов их употребления.
Научная медицина начинает свое развитие со времен знаменитоговрача Древней Греции Гиппократа (460 -337 гг. до н. э.). В своей врачебной деятельности он широко использовал различные растительные препараты. Гиппократом описано более 200 видов растений, признанных древнегреческой медициной в качестве лечебных средств.
В древней Руси использованию лекарственных растений уделялось большое внимание, что нашло отражение в рукописи «Изборник Великого князя Святослава Ярославовича», где приводится описание растений, которые в то время на Руси использовались для получения лекарственных средств. Так, для лечения наружных и внутренних заболеваний на Руси рекомендовали прикладывать свежие растения к пораженному участку или употреблять их внутрь (например, использовали капусту, лен, горчицу, орешник, подорожник или их соки).
Нынешнее Черноморское побережье (Скифия) славилось своими многочисленными лекарственными травами. Гиппократ, побывав в свое время в Скифии, писал о прекрасных лекарствах из скифского корня (ревень), понтийской абсинтии (полынь), ирного корня (аир) и др [100].
В России большой интерес к изучению отечественных лекарственных ресурсов был проявлен после реформ Петра I, который уделял большое внимание сбору лекарственных трав. По его приказу были созданы казенные аптеки и базы для них, так называемые аптекарские огороды (1713), при военных госпиталях во всех крупных городах.
В настоящее время растительное сырье рассматривается не только как источник энергии и пластических веществ, а так же как носитель биологически активных соединений, которые даже в минимальном количестве оказывают стимулирующее воздействие на организм человека.
Согласно фармакологическим данным, многие растения имеют лечебно-профилактическое значение. Так, корень одуванчика, бессмертник, кориандр, мяту используют при заболеваниях желудка, печени, желчного пузыря; корень петрушки, шиповник, чабрец, спорыш - при почечных за болеваниях; душицу, мелиссу - при заболеваниях верхних дыхательных путей; голубику, лимонник китайский, петрушку кудрявую, элеутерококк колючий - при заболеваниях органов зрения. Одни растения (ромашка, липа, зверобой) обладают противовоспалительными свойствами, другие (календула, аир болотный, крапива двудомная) - бактерицидными, третьи (аир болотный, алоэ древовидное, девясил, клевер луговой, крапива двудомная, овес посевной, одуванчик лекарственный, ячмень обыкновенный) - общеукрепляющим. Практически все растения содержат биологически активные вещества, микроэлементы, витамины [12, 19, 38].
Лечебное действие многих видов лекарственных растений, применяемых в настоящее время в медицинской практике, основано на содержании в них биологически активных веществ, которые при поступлении в организм человека определяют тот или иной физиологический эффект.
К группе биологически активных веществ (БАВ) относятся алкалоиды, гликозиды, сапонины, кумарины и фурокумарины, эфирные масла, смолы, дубильные вещества. Эти физиологически активные вещества имеют разнообразный состав и относятся к различным классам химических соединений.
Алкалоиды - природные сложные азотсодержащие соединения разнообразного химического строения, содержащиеся в растительном сырье в виде оснований и солей.Отдельные растения (белладонна, аконит, скополия) ядовиты из-за содержания в них алкалоидов, но в малых дозах эти вещества используются в лекарственных целях.
В медицине обычно употребляют соли алкалоидов, поскольку они лучше растворимы в воде и их физиологическая активность несколько усиливается за счет повышения уровня физиологической доступности [64].
Фармакологические свойства алкалоидов очень обширны: транквилизирующее и стимулирующее действие на центральную нервную систему, гипертензивное и гипотензивное действие, сосудосуживающее и сосудо расширяющее влияние на сердечно-сосудистую систему; самое различное влияние на медиаторные системы, функциональную деятельность мышечной системы и т. д.
В медицинской практике в качестве основных фармацевтических лечебных препаратов широко используются такие высокоактивные алкалоиды как морфий, стрихнин, кофеин, никотин, хинин, атропин и др.
В отечественной флоре существует целая группа алкалоидоносных растений, которые являются ценным сырьем для производства различных целебных препаратов: пилокарпус, белладонна, барвинок розовый, секури-нега, эфедра, чай, кубышка и др.
Гликозиды - большая группа веществ безазотистой природы, молекула которых состоит из сахаристой части (гликон) и несахаристой части (агликон). Действие гликозидов в основном обусловлено их несахаристой частью.
В практической медицине обычно используют следующие группы гликозидов: сердечные гликозиды, антрагликозиды, сапонины, горечи, флавоноидные гликозиды и др. Наиболее важное значение имеют сердечные гликозиды. К растениям, образующим в своих клетках гликозиды сердечного действия, относятся различные виды наперстянки, ландыш, горицвет и др. Эти гликозиды имеют стероидную структуру и в этом отношении очень близки к гормонам [100].
Антрагликозиды - гликозиды, оказывающие слабительное действие. Они содержатся в крушине, ревене, кассии, алоэ и других растениях. Антрагликозиды малотоксины, большинство из них окрашено в красно-оранжевый цвет.
Растения, содержащие горькие гликозиды, используются в медицине как горечи для повышения аппетита у больных. Горькие гликозиды содержатся в полыне, горечавке, одуванчике, золототысячнике и др. Горечи усиливают перистальтику желудка и увеличивают выделения желудочного сока, что способствует лучшему усвоению пищи.
Характеристика объектов исследования
В качестве объектов исследования нами выбраны производственные образцы пектина фирмы СР Kelco типов LM-106, LM-104-AS, AS-401, XSS-100 и XSS-100A, а так же образцы, полученные в лаборатории НИИ «Биотехперера-ботка» по новой технологии из традиционного и нетрадиционного пектиносо-держащего сырья.
Краткая их характеристика представлена в таблице 1.В качестве объектов исследований были также выбраны 19 лекарственных растений, наиболее распространенных на территории России: корень элеутерококка, плоды шиповника, рябины, боярышника; травы зверобоя, пустырника, пастушьей сумки, тысячелистника, горца птичьего, эхинацеи пурпурная, череда, чабрец, девясил, репяшок, листья мяты перечной, крапивы, подорожника, цветки ромашки, ноготки календулы и их водные настои.
Краткая характеристика биологически активных веществ исследуемого лекарственного сырья и их фармакологическая активность представлена в табл. 2 [9, 12, 19, 38,76, 79, 100].
Экспериментальные исследования по изучению физико-химических свойств пектиновых веществ и пектинопродуктов проводились в НИИ «Био-техпереработка» Куб ГАУ.
Основные методы определения физико-химических показателей пектина и пектинопродуктов приведены в табл. 3.
Известно, что одной из актуальных задач современной науки о питании является разработка продуктов питания и биологически активных добавок (БАД) для массовой профилактики групп населения, контактирующих с токсичными веществами или проживающих в районах с повышенным уровнем радиации.
Следует отметить, что пищевые биодобавки находят широкое применение и в рационе питания здорового человека, что связано с несбалансированным и нерациональным режимом питания, с ухудшением экологической обстановки, загрязнением пищевых продуктов вредными и токсичными веществами.
В связи с этим для расширения ассортимента функциональных продуктов питания, в частности желейных изделий нами была изучена возможность внесения настоев лекарственных растений в рецептуру мармелада.Лечебное действие многих видов лекарственных растений обусловлено содержанием в них биологически активных веществ, которые при поступлении в организм человека определяют тот или иной физиологический эффект.
С этой целью нами исследован фракционный состав пектиновых веществ из изучаемого лекарственного сырья.
Общее содержание пектиновых веществ (ПВ), соотношение протопектина (ПП) и растворимого пектина (РП) являются биохимическими признаками растительного сырья. В различных видах сырья содержание ПВ, ПП и РП неодинаково. Знание фракционного состава позволяет оценить технологическую значимость пектиносодержащего сырья.
Экстрагирование проводили по методике, разработанной специалистами НИИ «Биотехпереработка» [54, 98, 113].
Полученные данные представлены в табл. 4.Анализ экспериментальных данных показал, что по содержанию растворимого пектина выделяются листья крапивы, мелисы, травы зверобоя и эхинацеи пурпурной (более 1%). Содержание протопектина колеблется от 0,6% у шиповника до 7,1% у зверобоя. Практически во всех образцах прото-пектиновая фракция преобладает над растворимой, исключение составляют плоды шиповника.
Содержание общего пектина в исследуемом лекарственном сырье колеблется в интервале от 1,31% у корня элеутерококка до 8,43% у зверобоя.
С учетом полученных данных изучаемое лекарственное сырье нами условно разделено на 3 основные группы. К первой группе отнесены травы с содержанием общего пектина 6...8,5%), ко второй группе - сухое лекарственное сырье с общим содержанием пектиновых веществ 4,0...6,0%, к третьей - 4,0%.
Классификация сухого растительного лекарственного сырья по общему содержанию пектиновых веществ представлена в табл. 5.
Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать вывод о достаточно высоком содержании пектиновых веществ в растительном лекарственном сырье, что, в свою очередь, обусловливает возможность его использования в производстве желейных изделий.
Аналитические характеристики пектинов, выделенных из лекарственного сырья
Следующим этапом исследований являлось изучение аналитических характеристик выделенных из лекарственных растений пектиновых веществ. При этом корень элеутерококка как объект исследования исключен из-за низкого содержания пектина ( 1,5%).
Аналитические характеристики полученных образцов пектинов определяли методом кондуктометрического титрования [73].
Результаты исследований представлены в табл. 6, 7.Из табличных данных следует, что наибольшее содержание ме-токсильных групп наблюдается у пектина из мелиссы лекарственной и шиповника (7,44 и 6,57% соответственно), что определяет возможность их использования по данному показателю в качестве гелеобразователей. Наименьшее содержание метоксильных групп - у пектина ромашки аптечной - 0,62%). В остальных образцах пектиновых веществ из других лекарственных растений содержание метоксильной составляющей колеблется от 1,86 до 4,34%о.
По степени этерификации все полученные образцы пектиновых веществ лекарственных растений относятся к группе низкоэтерифициро-ванных пектинов (Е 40%), что говорит о возможности их применения в качестве комплексообразователей (рис. 4).
При этом, наибольшее значение степени этерификации имеет пектин мелиссы - 35,3%, наименьшее - пектин ромашки - 5%.
Следует отметить, что значения степени этерификации согласуются с данными о содержании свободных карбоксильных групп у всех исследуемых образцов пектинов лекарственного сырья (13,0...20, 7%).
Степень этерификации и содержание свободных метоксильных групп неразрывно связаны с комплексообразующей способностью. При увеличении степени этерификации способность к комплексообразованию у пектинов уменьшается. В реакции комплексообразования участвуют свободные карбоксильные группы пектиновых веществ. Следовательно, низкая степень этерификации и содержание большого числа свободных карбоксильных групп предполагает высокую комплексообразующую способность пектиновых веществ.
Анализируя экспериментальные данные можно предположить, что наибольшей комплексообразующей способностью будут обладать пектины ромашки и чабреца, так как имеют самые низкие значения степени этерификации (5 и 14,29% соответственно) и достаточно высокое содержание свободных карбоксильных групп (17,10 и 16,20% соответственно).
Для подтверждения данного предположения нами проведены дополнительные исследования по определению комплексообразующей способности выделенных из лекарственного сырья пектиновых веществ. При этом, в качестве объектов исследования были выбраны типичные представители классификационных групп лекарственных растений.
Комплексообразующую способность пектинов определяли путем мокрого сжигания осадка РЬ-пектатов и последующего трилонометрического анализа на количество поглощенного свинца [73].
Результаты исследований представлены в табл. 8. вания, представляющий собой отношение значений комплексообразования пектина лекарственных растений к комплексообразованию свекловичного пектина. Значения приведенного коэффициента комплексообразования пектиновых веществ лекарственного сырья приведены в табл. 9.
Таким образом, результаты исследований дают основание для вывода о возможности применения лекарственного сырья I группы для производства продуктов лечебного питания; II группы - для пищевых изделий лечебно-профилактического питания.
Взаимодействие пектиновых молекул между собой приводит к образованию трехмерной пространственной структуры - геля. Способность к гелеобразованию в водной среде определяется строением пектиновых молекул. Например, степень метоксилирования и содержания ацетильных групп обусловливают свойства пектиновых веществ.
Структурирование геля может происходить двумя путями: за счет изменения сил электростатического отталкивания молекул в присутствии дегидратирующих веществ в кислой среде и с участием ионов поливалентных металлов.
Карбоксильные группы пектиновых веществ способны диссоциировать на ионы. Наличие большого количества метоксилированных карбоксильных групп предполагает сближение гидрофобных метоксильных групп в гидрофильной водной среде, стремящихся к минимальной поверхности контакта с ней. Чем больше содержание гидрофобных групп (СНзО-), тем больше число возможных точек сближения полимерных цепей молекул пектинов, которое облегчается добавлением дегидратирующих Сахаров.
Кислая среда подавляет диссоциацию свободных карбоксильных групп, предотвращая тем самым взаимное электростатическое отталкивание пектиновых молекул, что способствует их пространственному сближению. Сблизившиеся свободные молекулы взаимодействуют с образованием водородных связей при участии недиссоциированных свободных карбоксильных групп. Водородные связи стабилизируют пространственную структуру студня.
Таким образом, наличие высокой метоксильной составляющей предполагает образование кислотно-сахарного пектинового студня.
В отличие от такого типа студня, содержание небольшого числа ме-токсилированных карбоксильных групп предполагает образование студня по другому механизму - с участием ионов поливалентных металлов, на-пример в присутствии ионов Са . При этом молекулы пектина взаимодействуют между собой за счет свободных карбоксильных групп, связываемых ионом кальция в прочный каркас.
Для оценки степени влияния аналитических характеристик на тип студня и механизм студнеобразования методом кондуктометрического титрования [73] нами определены аналитические характеристики некоторых промышленных образцов пектинов, а так же пектинов, полученных в лаборатории НИИ «Биотехпереработка» КубГАУ. Результаты исследований представлены в табл. 10, 11.
Анализируя табличные данные, видно, что пектины типов AS-401 Классик, XSS-100, XSS-100 А и видов - арбузный, грушевый, яблочные имеют высокую метоксильную (6,45...13,33%) и низкую ацетильную ( 0,9%) составляющие. Такие результаты позволяют предположить, что в образовании пространственной сетки студня будут принимать участие в основном метоксилированные карбоксильные группы. Связи будут образовываться не по концам отдельных молекул пектина, а возникать между теми участками гибких макромолекул, на которых имеются данные группы. Студень, образуемый данными пектинами относится к студням I типа, в образовании пространственной сетки которого участвуют не только ассоциированные, но и гомеополярные связи между карбонильными и этери-фицированными карбоксильными группами отдельных цепочек по схеме:
Влияние содержания степени этерификации на механизм студнеобразования
Одним из существенных показателей, обусловливающих условия образования пектинового студня, является степень этерификации. Для определения этого показателя у исследуемых образцов пектина нами проведены дополнительные исследования. По результатам опытов составлена классификация пектиновых веществ по степени этерификации (табл. 12).
Составленная классификация позволяет спрогнозировать условия образования пространственной сетки студня и его тип.
Так, при высокой степени этерификации пектина (Е 90 %), свободные карбоксильные группы значительно удалены друг от друга, что обусловливает необходимость применения высоких концентраций сахара. С уменьшением степени этерификации (менее 40%) происходит изменение конформации, приводящее к агрегатированию пектиновых молекул и образованию прочной внутримолекулярной хелатной связи. При этом происходит усиление электростатического отталкивания и уменьшение гибкости цепи макромолекулы [36]. Для ассоциации этих пектиновых молекул обязательно присутствие ионов Са + и Mg при низких концентрациях сахара и кислоты в студне. Адсорбция потенциал определяющих ионов снижает заряд на поверхности макромицелл, что существенно уменьшает энергетический барьер и способствует агрегатированию молекул.
С учетом полученных данных нами определена студнеобразующая способность исследуемых образцов пектинов (рис. 6). Из представленных данных видно, что пектины имеют достаточно высокую студнеобразую-щую способность, в том числе и низкоэтерифицированные, что обусловливает возможность их применения для получения функциональных желейных продуктов питания.
Теоретический анализ данных о влиянии различных факторов на механизм студнеобразования показал, что существенное влияние оказывают физико-химические свойства пектиновых веществ, которые определяются принадлежностью пектинов к классу полисахаридов.
Так, карбоксильные и гидроксильные группы обусловливают водо-удерживающую способность пектиновых веществ, а наличие боковых цепей в макромолекуле рамногалактурона и этерификация карбоксильных групп метанолом способствует ослаблению кислых свойств. Ионизированные карбоксильные группы придают пектиновой молекуле характер полиэлектролита-поликислоты.
Строение пектиновых молекул определяет их основные физико-химические свойства, одно из которых - способность к гелеобразованию в водной среде.
Этот процесс зависит в основном от молекулярной массы, степени этерификации пектиновой молекулы и распределения карбоксильных групп. Помимо этого влияние оказывает содержание балластных веществ, температура и рН среды [20, 23].
Учитывая, что студнеобразование является сложным процессом, зависящим от многих факторов, нами выделены основные факторы и изучено их комплексное влияние на прочность пектинового студня. В качестве основных факторов нами выбраны содержание метоксильной и ацетильной составляющих, содержание уронидной составляющей и степень этерификации. О влиянии температуры и рН среды имеется достаточно много литературных данных.
Зависимость студнеобразующей способности от метоксильной составляющей представлена на рис. 7.
Как видно из приведенных данных, не все образцы, обладающие высокой студнеобразующей способностью, имеют самое высокое значение метоксильной составляющей. Следовательно, существуют другие факторы, влияющие на механизм студнеобразования пектиновых веществ. Так, большое значение для студнеобразующей способности пектинов имеет наличие ацетильных групп. Связанные с гидроксигруппами пектиновых веществ, они ухудшают их студнеобразующие свойства. Содержание ацетильных групп в молекуле пектина более 1 % понижает его студне-образующую способность, поскольку свыше 75 % ацетильных групп в остатках галактуроновой кислоты приходится на «гладкие» зоны. Зависимость студнеобразования от ацетильной составляющей представлена на рис. 8.
Результаты проведенных нами исследований показали, что с учетом высокого содержания метоксильнои и низкого - ацетильной составляющих наибольшей способностью к студнеобразованию (93,10 кПа) обладают образцы пектинов, имеющие средние показатели метоксильнои составляющей (7,12%; 6,45%) и самые низкие показатели ацетильной составляющей ( 0,1%)). В то же время, образцы, имеющие самые высокие значения метоксильнои составляющей ( 9% ), обладают меньшей студнеобразующей способностью (57,32 - 89,64% кПа) из-за большого содержания ацетильных групп ( 0,5%).
Для выявления влияния перечисленных факторов на студнеобра-зующую способность нами проведена математическая обработка полученных данных (рис. 9, 10). Результаты математической обработки подтверждают экспериментальные данные: чем больше химически активных ме-токсильных групп входит в состав пектиновой молекулы и чем ниже ацетильная составляющая, тем выше студнеобразующая способность пектина.
