Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1 Вопросы использования пищевых добавок растительного происхождения 8
1.2 Применение топинамбура и продуктов его переработки в пищевом производстве 12
1.3 Современные технологии переработки топинамбура 28
1.4 Заключение 37
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 40
2.1 Сырье и материалы, применявшиеся при проведении исследований 40
2.2 Методы исследований
2.2.1 Определение качества сырья и полуфабрикатов 40
2.2.2 Метод экстрагирования инулинсодержащего компонента из клубней топинамбура 48
2.2.3 Приготовление макаронных изделий 52
2.2.4 Исследование свойств теста 54
2.2.5 Оценка качества макаронных изделий 54
2.2.6 Математическая обработка результатов исследований 54
2.3 Характеристика сырья, применявшегося в работе 55
ГЛАВА 3. Обоснование целесообразности использования клубней топинамбура в качестве источника пищевой добавки 57
3.1 Изучение химического состава клубней топинамбура 59
3.2 Разработка режима ведения низкотемпературного экстрагирования 70
3.2.1 Изучение влияния параметров процесса 71
3.2.1.1 Влияние экстрагента и рН среды 73
3.2.1.2 Влияние интенсивности гидродинамической кавитаиии
3 3.2.1.3 Определение величины гидромодуля 83
3.2.1.4 Влияние продолжительности экстракции 86
3.2.2 Изучение кинетики экстрагирования 91
3.2.3 Оптимизация параметров экстрагирования 91
3.3 Математический анализ экспериментальных данных 95
3.4 Принципиальная схема производства экстракта и порошка из клубней топинамбура 99
3.5 Производственные испытания 103
3.6 Заключение 103
ГЛАВА 4. Обоснование целесообразности использования экстракта и порошка из клубней топинамбура в производстве макаронных изделий 106
4.1 Изучение химического состава экстракта и порошка топинамбура 108
4.2 Применение инулинбелкового экстракта и порошка топинамбура
в производстве макаронных изделий 116
4.2.1 Влияние инулинбелкового экстракта и порошка топинамбура на качество макаронных изделий 119
4.2.2 Влияние инулинбелкового экстракта и порошка топинамбура на свойства теста 131
4.2.3 Пищевая ценность макаронных изделий с инулинбелковым экстрактом и порошком топинамбура..
4.3 Влияние инулинбелкового экстракта из топинамбура на показатели качества муки пшеничной со слабой по "силе" клейковиной 150
4.4 Производственные испытания 155
4.5 Заключение 155
Выводы 158
Список литературы
- Современные технологии переработки топинамбура
- Метод экстрагирования инулинсодержащего компонента из клубней топинамбура
- Влияние интенсивности гидродинамической кавитаиии
- Влияние инулинбелкового экстракта и порошка топинамбура на качество макаронных изделий
Современные технологии переработки топинамбура
В условиях перехода страны к рыночной экономике в 90-х годах XX века объемы отечественного производства многих видов продуктов, в том числе, макаронных изделий значительно сократились, что привело к широким неконтролируемым потокам импорта продукции, не всегда соответствующей по качеству требованиям стандартов [218, 219, 240]. Несмотря на то, что макаронные изделия в РФ оставались популярным и массовым продуктом, входящим в состав потребительской корзины, насыщение продовольственного рынка изделиями зарубежного производства вытеснило российских производителей и грозило сдерживанием развития отечественной отрасли. Однако, благодаря стабилизации экономики России, за последние 1,5-2 года ситуация резко изменилась, что отразилось на производственно-техническом уровне отечественной макаронной промышленности, и сегодня российские производители достойно конкурируют с зарубежными фирмами - как по качеству, так и по объемам выпускаемой продукции. Россия имеет достаточное количество предприятий, технический уровень и мощность которых позволяет производить объем макаронных изделий, удовлетворяющий среднедушевому потреблению данного продукта в стране.
Устойчивое обеспечение населения РФ макаронными изделиями решено с помощью введения в эксплуатацию нового, современного оборудования, способствующего увеличению объемов производства. Состояние материально-производственной базы российских макаронных предприятий сегодня также позволяет совершенствовать технические приемы и внедрять новые прогрессивные технологии, направленные на решение задач "Концепции государственной политики в области здорового питания...". Обеспечение всех групп населения России макаронными изделиями в достаточном количестве и широкого ассортимента, повышение качества продукции, разработка технологий изготовления макаронных изделий с использованием различных пищевых добавок становится вполне реальным.
При разработке новых видов изделий ученые и исследователи руководствуются соблюдением принципов теории рационального питания и стремлением к созданию экоресурсосберегающих технологий [39,49,84,182].
Большой вклад в разработку научных основ технологий хлебобулочных, мучных, кондитерских и макаронных изделий, том числе, профилактического и лечебного назначения внесены Поландовой Р.Д., Пучковой Л.И., Цыгановой Т.Б., Медведевым Г.М., Траубенберг С.Е., Шатнюк Л.Н., Дубцовым Г.Г., Кочетковой А.А., Дробот В.И., Пащенко Л.П., Рыбаком А.И и их учениками. За прошедшие десятилетия учеными были проведены комплексные научно-исследовательские работы по созданию новых видов изделий [57-60, 133-137, 148, 158, 261]. Результатом этих трудов стали разработанные и запатентованные продукты питания с использованием в качестве рецептурных ингредиентов плодов, овощей и продуктов их переработки, функционально-технологических пищевых добавок, способствующих сохранению и улучшению здоровья [26, 54, 177. 215, 221].
В области производства отечественных макаронных изделий помимо создания и внедрения новых интенсивных технологий производства термообработанных изделий [148], изделий, не требующих варки - быстрого приготовления [28], расширения ассортимента при использовании нетрадиционных видов сырья: ржаной муки, диспергированного зерна пшеницы, ученым и исследователям приходится изыскивать специальные технологические приемы, направленные на ликвидацию качественных недостатков сырьевых компонентов. В связи с тем, что на многих предприятиях макаронной отрасли России основным видом сырья является пшеничная хлебопекарная мука с пониженными свойствами [28, 167, 219], разрабатываются новые технологии, предусматривающие использование добавок, корректирующих качество муки и свойства теста [72, 191, 241].
Как говорилось выше, большое значение в обеспечении пищевых отраслей России имеет использование нетрадиционных видов растительного сырья [68, 74, 82, 87, 104, 109, 119, 132, 143, 150, 154, 155, 160, 161, 168, 171]. Среди таких растительных культур особое место занимает топинамбур (земляная груша) с уникальным химическим составом, благодаря которому он является ценным источником ряда биологически активных веществ и используется в производстве консервированных продуктов, пищевых добавок и химически чистых веществ [6, 11, 12, 17, 56, 63, 64, 69, 100, 106, 125, 156, 197, 230, 269, 288]. Хотя интерес к нему обусловлен в первую очередь тем, что топинамбур является одним из немногих в природе инулиноносных растений, в последнее время это растение все больше привлекает внимание как сырье для создания различных продуктов питания лечебного и профилактического назначения [26, 33, 139, 140, 177].
В рамках отечественной макаронной отрасли проводятся научно-практические работы по обоснованию применения пищевых добавок из растительного сырья, в том числе, порошка и высокофруктозных сиропов из топинамбура в рецептурах изделий с целью обогащения готовой продукции фруктозой, витаминами, пектиновыми и минеральными веществами. Работами Медведева Г.М., Цыгановой Т.Б., Голубева В.Н., Пащенко Л.П., Корячкиной С.Я. показано, что внесение различных продуктов переработки растительного сырья в макаронные изделия приводит к повышению их пищевой и биологической ценности.
Учеными России, индустриально развитых стран Западной Европы и Северной Америки в последние годы постоянно проводятся исследования по изучению топинамбура с целью определения его технологических и медико-биологических свойств [101, 109, 237, 265, 281].
В топинамбуре содержится богатый комплекс биологически активных веществ, в том числе, витамины, аминокислоты, полифенолы и другие компоненты, обладающие радиопротекторными свойствами, что необходимо учитывать при разработке продуктов противолучевого действия.
Употребление продуктов с топинамбуром весьма важно в рационах питания работников атомных станций и подводных лодок, радиохимических предприятий, космонавтов [44, 50, 52, 64, 104, 163, 174]. Свойство пектинов и пищевых волокон, входящих в состав топинамбура, оказывать лечебное действие при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, что также определяет использование продуктов из топинамбура в питании лечебного и профилактического назначения [37, 44, 179]. Комплекс полисахаридов топинамбура оказывает благоприятное воздействие на микрофлору кишечника, снижая негативные побочные эффекты лекарственных препаратов, в том числе, антибиотиков [120-123, 143, 145, 146, 15, 157, 160, 161, 164, 186].
Метод экстрагирования инулинсодержащего компонента из клубней топинамбура
Использование гидромеханических средств позволяет не только повысить производительность процессов, но в отдельных случаях не прибегать к гидролизу учитывая, что технологии пектина и инулина допускают варьирование технологическими параметрами в достаточно широких пределах без существенного разрушения (деполимеризации) питательных веществ в полученных продуктах. Исследователи могут варьировать параметрическим комплексом в достаточно широких пределах, что позволяет применять не только средства математического планирования экстремальных экспериментов, но и использовать широкий спектр алгоритмов оптимизации процессов. То же относится и к применению гидротехнических средств.
Таким образом, учитывая наличие технических средств повышения эффективности технологии переработки растительного сырья, практически полное отсутствие использования этих средств при производстве инулина из топинамбура, недостаточно эффективные традиционные технологии экстракции инулина в условиях промышленного производства, считали целесообразным на данном этапе исследования изучить влияние основных технологических факторов на эффективность водного низкотемпературного экстрагирования инулина в гидроакустическом режиме (разработанном акад. Голубевым В.Н. с учениками [8,9]) из клубней топинамбура сорта Успех.
Известно [48, 58, 207, 232, 234, 248, 272], что на эффективность -72 выделения заданного компонента из растительного сырья влияет ряд технологических факторов, в том числе: - степень измельчения сырья (увеличение степени измельчения сокращает путь диффузии растворимых соединений внутри растительных тканей, ускоряет процесс экстрагирования и увеличивает общую поверхность контакта сырья с растворителем); - рН среды, в которой осуществляется экстрагирование; - температура процесса; гидродинамические условия (непрерывное перемешивание, многократное движение экстрагента сквозь слой растительного сырья и т.п.); природа растворителя, обеспечивающего определенную растворимость извлекаемого вещества и др.
Экстрагирование инулина из клубней топинамбура осуществляли в экстракторе-дезинтеграторе роторно-кавитационного типа, использование которого позволяет совместить процесс измельчения сырья (до разрушения клеточных оболочек) с извлечением заданного компонента - инулина. Эффективность обработки исходного материала в данном аппарате определяется рядом технологических факторов, варьируя которыми можно достичь высоких показателей выхода целевого продукта.
Извлечение растворимых веществ из растительных тканей основано на осуществлении процесса молекулярной диффузии. Известно, что степень экстрагирования исследуемого вещества зависит от температуры, вязкости среды, размера диффундирующих частиц, продолжительности диффузии. Вязкость среды зависит от вида сырья и его соотношения с экстрагентом (т.е. определяется величиной гидромодуля). Поверхность контакта растворителя с сырьем, а также размер частиц определяется интенсивностью кавитации.
Таким образом, на данном этапе работы изучали влияние интенсивности гидродинамической кавитации, величины гидромодуля и продолжительности процесса на степень экстрагирования инулина из клубней топинамбура сорта Успех.
Выбор экстрагента определяется его способностью максимально растворять целевое вещество (и как можно меньше - балластные и сопутствующие вещества), его химическими и физическими свойствами, способствующими интенсивному массопереносу, низкой себестоимостью и инертностью по отношению к рабочим поверхностям экстрактора.
Согласно анализу литературных данных, посвященных экстрагированию и выделению инулина из свежих клубней топинамбура - инулин, является линейным полисахаридом с относительно низкой молекулярной массой и легко растворяется в воде [40, 92, 99]. Учитывая вышесказанное, для проведения экспериментов по экстрагированию в качестве растворителя использовали воду питьевую температурой +18±2С.
Известно [40, 89, 264, 284], что степень экстракции растительного сырья существенно зависит от рН среды. Вода, как экстрагент, позволяет получать продукт со всеми водорастворимыми веществами, входящими в состав сырья, не подвергая его дополнительным химическим превращениям (гидролизу, денатурации, деполимеризации и т.д.).
Принимая во внимание, что одной из задач нашего исследования являлось получение пищевой добавки, сохраняющей полезные свойства и компоненты исходного сырья, осуществляли водное экстрагирование при рН среды 6,1-6,2.
Согласно данным научно-технической литературы [40, 45, 123, 253, 254], процесс экстракционного извлечения в системе «твердое тело - жидкость» значительно интенсифицирован в аппаратах роторно-кавитационного типа. Следовательно, в условиях кавитации можно ожидать увеличения скорости массообмена в гидродинамическом поле по сравнению с традиционными способами.
Закономерности экстракции веществ из твердого растительного сырья, в том числе топинамбура, определяются структурой, фазовым составом системы, а также параметрами гидроакустической кавитации. В двухфазовых системах перенос вещества в капиллярно-пористой фазе может осуществляться с помощью молекулярной диффузии, конвективного переноса и т. д.
Интенсивность кавитации - фактор существенно влияющий на степень экстрагирования и качество целевого продукта. Работами многих исследователей показано, что данный индекс важен при оценке влияния гидроакустики на эффективность процесса [20, 40, 118]. Как показали результаты исследований [27], этот индекс может быть использован в качестве независимой переменной при математическом моделировании процесса, что имеет принципиальное значение для его последующей интенсификации.
Предположим, что малое приращение эффективности процесса, определяемое степенью экстрагирования АЭ, пропорционально индексу кавитации Ik в некоторой степени п и малому приращению Лік индекса кавитации, т.е.
Влияние интенсивности гидродинамической кавитаиии
Анализ данных, полученных экспериментально и представленных в разд.3.1, показывает, что непосредственно клубни топинамбура содержат большое количество углеводов, витаминов, минеральных веществ и органических кислот.
Согласно данным, опубликованным в научно-технической литературе [33, 37, 90, 247], современная переработка растительного сырья, основанная на низкотемпературной экстракции, позволяет осуществлять выделение заданных компонентов в условиях "мягкого" режима экстрагирования с сохранением в полученном продукте максимально возможного количества ценных компонентов. Данная технология, благодаря низкотемпературному воздействию, позволяет сохранить термо- и оксилабильные вещества в продукте. Кроме того, обработка сырья в водной среде обеспечивает переход большей части веществ химического состава топинамбура в экстракт [34, 37, 39]. Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что применяемый в данной работе способ экстракции является примером осуществления экоресурсосберегающей технологии переработки растительных объектов.
Анализ химического состава полученного экстракта из топинамбура позволит оценить эффективность применяемого нами способа переработки топинамбура и рассмотреть возможность использования экстракта в качестве пищевой добавки для обогащения макаронных изделий ценными питательными веществами.
Большое содержание инулина в экстракте будет обогащать макаронные изделия этим ценным компонентом. Кроме того, согласно прогнозам химического состава (гл.З), наличие витаминно-минерального комплекса в полученном экстракте, при внесении его в рецептуру может влиять и на свойства теста. Вышесказанное можно отнести также к порошку, добавив, что этот продукт переработки топинамбура кроме инулина и фруктозы, содержит витамины и минеральные вещества, а также важные для профилактики некоторых заболеваний пищевые волокна (пектиновые вещества и клетчатку).
В связи с вышеизложенным, для обоснования целесообразности использования продуктов переработки топинамбура в качестве пищевых добавок были проведены следующие исследования: изучение химического состава экстракта и порошка топинамбура сорта Успех; изучение влияния экстракта и порошка топинамбура на свойства теста, качество и пищевую ценность макаронных изделий; изучение влияния экстракта на качество клейковины муки пшеничной с пониженными свойствами.
Изучение химического состава экстракта и порошка из клубней топинамбура Анализ химического состава экстракта из клубней топинамбура Результаты анализа химического состава экстракта, полученного в процессе водной гидродинамической обработки клубней топинамбура сорта Успех в экстракторе-дезинтеграторе, приведены в табл. 27.
Как видно из данных табл. 27, экстракт содержал 16,84% сухих веществ, что на 35% меньше, чем клубни. Данный факт объясняется тем, что в процессе экстрагирования в экстракт не переходят некоторые высокомолекулярные углеводы, протопектин и нерастворимые протеины.
Анализ углеводов показат, что количество фруктозанов в экстракте, по сравнению с исходным сырьем, практически не изменилось и составило до 90% от суммы углеводов, что свидетельствует о высокой эффективности используемого нами "мягкого" режима экстракции.
О ценности углеводного состава полученного экстракта свидетельствовало содержание инулина в нем - 70% (на сухое вещество), что составляло 82% от суммы Сахаров. Это позволило рассматривать экстракт в качестве пищевой инулинсодержащеи добавки.
Кроме того, отмечали, что соотношение между фракциями моносахаридов в полученном экстракте не изменилось по отношению к исходному сырью.
Содержание моносахаров в исходном сырье составляло 0,87%, а в полученном экстракте - 0,92%, что могло быть обусловлено не только их сохранностью в процессе водной экстракции, но и вторичным образованием из олигосахаридов, продуктом расщепления которых является глюкоза и фруктоза.
Содержание моносахаров в экстракте составило 0,92%, в то время как в исходном сырье - 0,87%, т.е. процесс экстракции обеспечивал увеличение доли рассматриваемых Сахаров на 10%. Содержание белковых веществ в экстракте по сравнению с исходным сырьем уменьшилось в 2 раза вследствие перехода водорастворимых протеинов из клубней в экстракт.
Общее количество незаменимых аминокислот в ИБЭ составило 456 мг/100 см3 ИБЭ, т.е. на 15% меньше, чем в исходном сырье. Уменьшение содержания аминокислот объясняется разрушением некоторых из них (например, триптофан) при повышении кислотности в выбранном режиме экстрагирования (табл. 28).
Влияние инулинбелкового экстракта и порошка топинамбура на качество макаронных изделий
Производственные испытания по приготовлению МИ с использованием в качестве рецептурного компонента ИБЭ, проводили в экспериментальном цехе по производству макаронных изделий ГосНИИХП (г. Москва). Акт производственных испытаний приведен в Приложении 3. Проведенные испытания (Приложение 3) подтвердили возможность промышленного приготовления макаронных изделий высокого качества с внесением ИБЭ из топинамбура в рецептуру без изменения технологических параметров производства.
Положительное заключение, данное экспериментальным цехом по производству макаронных изделий ГосНИИХП, было положено в основу разработки патентов на изобретения (Приложение 4 и 5), а также нормативной документации на производство ИЗДЕЛИЙ МАКАРОННЫХ "МакМастер" - "ТОПИНАМБУРНЫЕ". На основании лабораторных исследований и производственных испытаний авторами были разработаны ТУ, ТИ и рецептуры макаронных изделий "ТОПИНАМБУРНЫЕ", которые были согласованы с органами Госсанэпиднадзора РФ, департаментом торговли РФ и зарегистрированы во ВНИИстандарт РФ (Приложение 6).
На основании анализа химического состава ИБЭ и порошка топинамбура и изучения данных продуктов переработки топинамбура на качество клейковины муки, структурно-механические и реологические свойства теста, качество макаронных изделий и их пищевую ценность показано, что ИБЭ и порошок могут рассматриваться как пищевые добавки полифункционального действия.
Установлено, что добавление ИБЭ в тесто способствует улучшению свойств теста. Показано, что оптимальная величина упругости и стабильности теста с добавлением ИБЭ достигается при дозировке 3,0-5,0% от массы муки по сравнению с контролем, что говорит о положительном влиянии ИБЭ на процесс формирования теста. При этом имеет место некоторое повышение водопоглотительной способности теста, оно отличается хорошей эластичностью и стабильностью, что обеспечивает снижение степени разрушения структуры теста при выпрессовывании. Установлено, что добавление ИБЭ в тесто способствует увеличению производительности работы пресса на 7% по сравнению с контролем.
Установлено, что применение ИБЭ в качестве добавки при приготовлении теста способствует улучшению качества макаронных изделий по основным показателям: варочным свойствам и цветовой характеристике; определено, что с точки зрения улучшения качества макаронных изделий оптимальной дозировкой ИБЭ является 3,0-5,0% от массы муки. Показано, что применение ИБЭ способствует повышению пищевой ценности макаронных изделий по содержанию фруктозы, инулина, минеральных веществ и витаминов.
Показано, что внесение порошка топинамбура в тесто в количестве не более 10,0% от массы муки не влияет на свойства теста по сравнению с контролем. Установлено, что с добавлением порошка в тесто производительность работы пресса незначительно возрастает по сравнению с контролем.
С точки зрения качества макаронных изделий показана возможность внесения порошка топинамбура в дозировке до 10,0% от массы муки без изменения показателей по сравнению с контролем. Установлено, что применение порошка способствует повышению пищевой ценности макаронных изделий по содержанию фруктозы, инулина, пищевых волокон - клетчатки и пектина, минеральных веществ и витаминов.
Установлено, что ИБЭ оказывает положительное влияние на показатели качества клейковины муки при изготовлении макаронных изделий на основе муки пшеничной хлебопекарной со "слабой" по силе клейковиной. ИБЭ в дозировке 5,0% от массы муки способствует укреплению свойств клейковины (уменьшению растяжимости и увеличению способности оказывать сопротивление деформирующей нагрузке по сравнению с контролем) и улучшению показателей качества готовых изделий. Показано, что ИБЭ из топинамбура может быть рекомендован в качестве корректирующей добавки при изготовлении макаронных изделий на основе муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта с ИДК=100,4 ед.приб.
На основании комплекса проведенных исследований разработан научно обоснованный технологический режим получения пищевой добавки из клубней топинамбура сорта Успех в виде экстракта (способом гидродинамической кавитации) с последующим применением в производстве макаронных изделий.
1. На основании анализа химического состава клубней топинамбура сорта Успех дана характеристика его пищевой и биологической ценности. Установлено, что клубни богаты углеводами, содержат большое количество инулина, пектиновых веществ, микро- и макроэлементов, содержат витамины С, РР и группы В, что позволило использовать клубни топинамбура в качестве пищевой инулинсодержащей добавки.
2.Установлено влияние и определены параметры низкотемпературного водного (рНнач=6,1-6,2) экстрагирования (Тнач=18±2С): гидромодуль, интенсивность гидродинамической кавитации и продолжительность экстракции, на эффективность экстрагирования и биохимические показатели инулинбелкового экстракта.
Согласно полученным данным степени экстрагирования инулина и содержания сухих веществ в экстракте, показателям качества экстракта, а также на основании результатов математического планирования эксперимента установлены оптимальные параметры экстрагирования: величина гидромодуля - 1:4,5, индекс кавитации - 0,9 отн.ед., продолжительность экстракции - 40 мин, размер частиц исходного сырья - 2 мм, что способствовало достижению степени экстрагирования инулинсодержащего компонента из клубней топинамбура - ИБЭ 96.0% с содержанием сухих веществ 16,84%.
