Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из основных направлений развития зерноперерабатывающей отрасли является поиск новых видов сырья и способов его переработки. Исследования, направленные на использование ценных в пищевом отношении зерновых злаковых культур (ячменя, овса, тритикале), позволят расширить ассортимент вырабатываемой продукции с функциональными свойствами. Диетологи рекомендуют изготовлять хлеб не только из муки высших сортов, но и из цельнозерновых продуктов. Это требование продиктовано необходимостью сохранения в муке и хлебе пищевых волокон и других биологически активных соединений (белков, витаминов, минеральных веществ), содержащихся в периферических зонах зерновки в большом количестве. Зерновые концентраты, представляющие собой композиционные зерновые смеси с повышенной пищевой ценностью возможно использовать как в качестве готовых смесей для приготовления зерновых хлебобулочных изделий, так и как обогащающий компонент к традиционной пшеничной муке, дробленым и тонкозерновым крупам. Рост производства и расширение ассортимента зернового хлеба свидетельствует об актуальности и перспективности развития этого направления.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по теме: «Исследование взаимосвязи гидролиза фитина семян злаковых культур с повышением биодоступности минеральных веществ», Соглашение 14.В37.21.1922
(2012-2013 г.г.)
Степень разработанности темы исследования. Обоснованию основных принципов и подходов к разработке новых технологий качественных и безопасных зерновых хлебобулочных изделий с использованием ферментных препаратов целлюлолитического действия посвящены работы Поландовой Р.Д., Матвеевой И.В., Корячкиной С.Я., Дерканосовой Н.М., Кузнецовой Е.А., Хмелевой Е.В., Пригариной О.М., Черепниной Л.В. и других.
Фермент фитаза традиционно применяется в пищевых технологиях в составе комплексного ферментного препарата целлюлолитического действия. Применение комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии зернового хлеба исследователи рассматривали только с точки зрения повышения качества готовых изделий и снижения содержания тяжелых металлов в них. В научно-технической литературе отсутствуют обоснованные подходы к проблеме повышения пищевой ценности зернового сырья и продуктов его переработки за счет повышения доступности фосфора и других биологически активных соединений, входящих в состав фитина, а также сведения о влиянии отдельных ферментов комплекса препарата на изменение биохимических характеристик субстратов. Получение этих данных позволит корректировать состав ферментных комплексов препаратов в зависимости от цели их использования.
Цель работы – разработка технологии зернового концентрата, основанной на применении фитазосодержащего комплексного ферментного препарата для хлебопекарной отрасли.
Для достижения цели в ходе исследования были поставлены задачи:
1. обоснование рациональных доз комплексного ферментного препарата на основе фитазы и параметров ферментативного гидролиза зерна хлебных злаков в технологии получения зернового концентрата;
2. изучение изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных ферментов комплекса препарата на основе фитазы;
3. исследование распределения минеральных элементов в зерновке пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;
4. разработка технологии приготовления зернового концентрата;
5. разработка технологии хлебобулочного изделия с использованием зернового концентрата, определение показателей качества;
6. определение пищевой ценности и безопасности, разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на его основе;
7. определение экономической эффективности разработанного зернового хлебобулочного изделия, разработка технической документации на зерновой концентрат и новый вид хлебобулочного изделия и их опытно-промышленная апробация.
Научная новизна. Диссертация содержит элементы научной новизны в рамках пункта 8 паспорта специальности 05.18.01.
Обоснованы параметры ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов оболочек зерна под действием биокатализаторов на основе целлюлаз, входящих в состав комплексного ферментного препарата на основе фитазы (оптимальные дозы ферментных препаратов, продолжительность замачивания) с точки зрения повышения степени дисперсности композитной зерновой смеси для использования в технологии хлебобулочного изделия.
Экспериментально установлено, что комплекс ферментов целлобиогидролазы и ксиланазы обеспечивает наибольшее увеличение скорости поглощения влаги зерном злаковых культур и степени гидролиза субстратов.
Расширены представления об изменении анатомии, морфологии и микроструктуры поверхности зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя в условиях ферментативного гидролиза под действием индивидуальных ферментов целлюлазного комплекса целлобиогидролазы, -глюканазы, ксиланазы и их сочетаний целлобиогидролаза+-глюканаза ицеллобиогидролаза+ксиланаза.
Получены новые данные о распределении биогенных минеральных элементов по анатомическим частям зерновки после обработки зерна хлебных злаков комплексным ферментным препаратом на основе фитазы.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработана и научно обоснована технология производства зернового концентрата из целого зерна хлебных злаков (пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя), основанная на обработке целого нешелушенного зерна комплексным ферментным препаратом, содержащим карбогидразы и фитазу, позволяющая повысить доступность фосфора и биогенных минеральных соединений. Разработана технология хлебобулочного изделия из зернового концентрата, позволяющая получить хлеб повышенной пищевой ценности с органолептическими и физико-химическими показателями качества не ниже, чем у зернового хлеба, выработанного по
ГОСТ 25832-89.
Разработана и утверждена техническая документация на концентрат зерновой «Семейство злаковых» ТУ 9295-242-02069036-2013 и на изделие хлебобулочное «Румяный колобок» ТУ 9113-287-02069036-2013. Проведена промышленная апробация разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на
ОАО «Наш продукт» и участке хлебопечения комбината общественного питания Госуниверситета-УНПК.
Получена приоритетная справка на патент РФ № 2013143452 от 25.09.13 «Способ изготовления концентрата зернового», в котором сформулированы предложенные технологические приемы.
Разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Химия и биотехнология» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» при изучении дисциплин «Пищевая биотехнология», «Основы биотехнологии», «Ферменты: структура, свойства и применение», «Пищевая химия».
Методология и методы исследования. Объектами исследования являлось зерно пшеницы (ГОСТ Р 52554), ржи (ГОСТ Р 53049), тритикале (ГОСТ Р 53899), овса (ГОСТ Р 28673), ячменя (ГОСТ Р 28672), комплексный ферментный препарат на основе фитазыF 4.2Bпродуцент Penicillium canescens, в состав которого входят целлобиогидролаза, -глюканаза, ксиланаза и фитаза (фитазная активность
12008 ед/г, ксиланазная – 803 ед/г), зерновой концентрат, полуфабрикаты и хлебобулочные изделия на основе целого зерна, в технологии которых использовали биокатализаторы. Предметом исследования были химический и микробиологический состав зерна, биохимические, анатомические и морфологические свойства зерна и зернового концентрата, органолептические, физико-химические и реологические свойства полуфабрикатов и зерновых хлебобулочных изделий.
В работе использованы стандартные и общепринятые методы оценки состава и свойств зерна, полуфабриката и готовых зерновых хлебобулочных изделий: физико-химические, реологические, микроскопические, биохимические. Микроструктурные исследования проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа Jeol JSM 6390, содержание витаминов – методом ВЭЖХ на приборе «Милихром УФ-5».
Реологические свойства теста исследовали на капиллярном вискозиметре. Органолептическую оценку хлеба проводили в соответствии со шкалой балльной оценки предложенной во МГУПП. Аминокислотный состав белка в исследуемых образцах определяли на аминокислотном анализаторе Chromaspek (США).
Работа выполнялась в лабораториях кафедр «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» и «Химия и биотехнология», в испытательной лаборатории и в Орловском региональном центре коллективного пользования контрольно-измерительным оборудованием ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», а также в лаборатории агроэкологии ГНУ ВНИИСПК (г. Орел).
Обработку экспериментальных данных проводили на основе методов математической статистики с применением программного обеспечения Statistika 6.0 и Microsoft Excel. На рисунке 1 представлена структурная схема исследований.
Положения, выносимые на защиту:
- оптимальные режимы ферментативного гидролиза и рациональные дозы комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии получения зернового концентрата;
- результаты экспериментальных исследований изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных карбогидраз;
- экспериментальные данные по распределению биогенных минеральных элементов в анатомических частях зерновки пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;
- научно-обоснованные технологические решения по созданию зернового концентрата на основе применения фитазосодержащего комплексного ферментного препарата и хлебобулочного изделия с использованием зернового концентрата.
Степень достоверности результатов обеспечивается большим массивом экспериментальных данных, полученных и обработанных с применением стандартных, общепринятых и специальных методов; согласованностью результатов с известными представлениями о составе, структуре, свойствах зернового концентрата и зернового хлебобулочного изделия; подтверждается актом промышленных испытаний, публикацией основных положений диссертации в рецензируемых печатных изданиях.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований были представлены на Международных научных конференциях: «Стратегия развития индустрии гостеприимства и туризма» (Орел, 2011 г.); «Потребительский рынок: качество товаров и услуг» (Орел, 2011 г); «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2011 г); «Биология – наука XXI века» (Москва, 2012 г.); «Фундаментальные и прикладные аспекты создания биосферосовместимых систем» (Орел, 2012 г.), а также Всероссийских конференциях: «Экология и безопасность в техносфере» (Орел, 2010 г.), «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ – оз. Байкал, 2012 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе в 5 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на __ страницах и содержит __ таблиц и __ рисунков. Список литературы включает 152 источника, в том числе 26 иностранных.
