Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы по проблеме получения и применения структурообр азовaтeлей . 8
1.1 Пектин, его строение, свойства и применение 8
1.2 Каррагинан, его строение, свойства и применение 19
1.3 Композиционные структурообразователи: получение и применение 28
1.4 Современные технологии желейных изделий 33
1.5 Задачи исследований 37
2 Объекты и методы исследований 38
2.1 Объекты исследований 38
2.2 Методы исследований 39
2.3 Статистическая обработка полученных данных 47
2.4 Математическое планирование эксперимента 49
3 Результаты исследований 54
3.1 Исследование свойств структурообразователей 54
3.1.1 Изучение физико-химических свойств каррагинана 54
3.1.2 Изучение связывающей способности каррагинана по отношению к тяжелым металлам 57
3.1.3 Изучение качественных характеристик пектинов 64
3.2 Составление композиции структурообразователей 65
3.2.1 Исследование реологических показателей водных растворов структурообразователей 65
3.2.2 Изучение влияния некоторых факторов на явление синерезиса в гелях каррагинана 71
3.2.3 Изучение связывающей способности композиционных структурообразователей по отношению к тяжелым металлам 75
3.2.4 Исследование студней на основе каррагинана и пектина методом дифференциальной сканирующей
калориметрии 77
3.2.5 Исследование противомикробнои активности структуро-образователей 81
4 Разработка рецептур и технологии желейных десертов функционального назначения 84
4.1 Обоснование выбора сырья 84
4.2 Разработка технологии желейных изделий 86
4.2.1 Технология приготовления желейного мармелада 86
4.2.2 Технология приготовления пастильной массы 89
4.2.3 Технология приготовления десерта яблочного 95
4.3 Реологические характеристики желейных изделий 98
4.4 Исследования качества и безопасности новых пищевых продуктов 101
4.4.1 Органолептическая оценка разработанных готовых изделий... 101
* 4.4.2 Изучение химического состава 102
4.4.3 Определение срока хранения желейных изделий 103
4.4.4 Токсикологические показатели безопасности 106
4.5 Промышленная апробация разработанной технологии 107
4.6 Оценка экономической целесообразности разработок 108
Выводы 110
Список использованных источников
- Композиционные структурообразователи: получение и применение
- Статистическая обработка полученных данных
- Изучение связывающей способности каррагинана по отношению к тяжелым металлам
- Разработка технологии желейных изделий
Введение к работе
В настоящее время наблюдается ухудшение экологической обстановки (из-за расширения области применения источников ионизирующих излучений в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, научных исследованиях) во многих регионах, сопровождающееся загрязнением окружающей среды и пищевых продуктов токсическими веществами и радионуклидами.
В связи с этим необходимо применение современных средств противорадиационной защиты людей и комплекса санитарно-гигиенических мероприятий для обеспечения их безопасности и укрепления защитных функций организма. В системе этих мер важное значение уделяется разработке и производству продуктов питания функционального назначения, способствующих выведению из организма тяжелых и радиоактивных металлов, благодаря присутствию компонентов, обладающих защитными свойствами.
Решение этой проблемы современная пищевая технология связывает с применением высокоэффективных пищевых добавок, одними из которых являются структурообразователи каррагинан и пектиновые вещества, обладающие лечебными и детоксикационными свойствами /1, 204/.
Но так как структурообразователи обладают специфическими технологическими свойствами, а наиболее перспективны пищевые добавки с широким комплексом технологических свойств, актуальным является получение композиций структурообразователей с регулируемой технологической направленностью и разработка на их основе продуктов функционального назначения.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы явилась разработка научно и экспериментально обоснованных технологий желейных
десертов функционального назначения с использованием композиционных структурообразователей.
Диссертация состоит из обзора литературы, экспериментальной части, выводов и рекомендаций, списка литературы и 6 приложений.
В обзоре литературы дан анализ современных представлений о строении, свойствах пектинов и каррагинана, а также применение их в пищевой промышленности. Приведен анализ состояния вопроса технологии получения и применения композиционных структурообразователей, желейных кондитерских изделий, обладающих функциональными свойствами. На основании анализа и обобщения изученного материала сформулированы задачи исследований.
В экспериментальной части приведены результаты исследований влияния различных факторов на реологические характеристики и связывающую способность каррагинана, пектина и композиций на их основе, а также представлены рецептуры и технологии желейных десертов с использованием композиционного структурообразователя, приведены результаты изучения качественных характеристик новых желейных десертов.
В конце диссертации приведены основные выводы.
Научная новизна работы состоит, в том что:
о теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность получения и применения композиций структурообразователей с регулируемой функциональной направленностью;
о определено оптимальное соотношение компонентов желейных десертов и яблочного пектина, позволяющее полностью устранить отделение влаги (синерезис) от гелей на основе каррагинана;
о впервые изучены термодинамические параметры промежуточных состояний систем на основе исследуемых структурообразователей, их структурная организация и поведение методом дифференциальной сканирующей калориметрии;
о впервые получены данные о влиянии различных факторов на связывающую способность каррагинана, изучена связывающая способ-
\*
ность композиционного структурообразователя на основе яблочного пектина и каррагинана;
о проведен сравнительный анализ противомикробной активности простых и композиционных структурообразователей;
о разработаны рецептуры и технологии желейных десертов (пас-тильной массы, десерта, желейного мармелада) с использованием композиционного структурообразователя.
На защиту выносятся:
S результаты изучения влияния пектина и компонентов желейных десертов на явление синерезиса и реологические характеристики гелей каррагинана;
S результаты изучения влияния различных факторов на связывающую способность каррагинана;
S рецептуры и технологии желейных десертов с использованием композиционного структурообразователя каррагинан: яблочный пектин.
Композиционные структурообразователи: получение и применение
Значительное число исследований в области природных полимеров посвящено вопросам получения и применения индивидуальных структу рообразователей - агару, казеину, пектину и др. /20, 33/. Исследования в этом направлении проводились в МГУ1111, Краснодарском политехническом институте, ВНИИКОПе и др.
В технологии продуктов заданного состава и структуры перспективным направлением является комбинирование двух или более структурооб-разователей с целью регулированиях их функциональных свойств /20/.
Методы регулирования функциональных свойств белков признаны высокоэффективными. Изучалась /149/ возможность совместного применения в качестве эмульгатора и загустителя полисахаридов катиоиного типа - хитозана и анионного - агара. Как следует из полученных данных, только при совместном использовании хитозана и агара получаются эмульсии, обладающие густой консистенцией, белым цветом и имеющие высокую стабильность (97 - 99 %). При применении только одного агара эмульсия не образуется.
Авторами /213/ изучены комплексы пектина и сывороточного белка и кинетика их образования. Соотношение пектин/белок изменялось в соотношении 1:0,5- 1:5.
Исследованы реологические параметры гелей пектина в гетерогенной дисперсионной среде. Определены концентрации и температурные факторы, изменяющие свойства пектин — казеиновых гелей, характеризуемых у пру говязко пластичными свойствами. Изучено влияние казеина на реологические показатели пектиновых гелей в гетерогенной среде, а также их тиксотропия /134/.
Взаимодействие белков с полисахаридами является определяющим при формировании функциональных свойств продукта, в связи, с чем изучена возможность комплексообразования белков мяса с микробным полисахаридом аубазиданом. При добавлении 1 % аубазидана повышается во-досвязывающая способность, нежность, снижение потерь при термообработке, предельное напряжение сдвига. При замораживании и холодильном хранении таких систем указанные тенденции сохраняются, что связано с криопротекторным действием комплексообразования /24/.
В работе /4/ исследовались фазовые состояния большого числа систем вода - белок - полисахарид. Объектами исследования служили основные типы белков, а также различные нейтральные и кислые полисахариды.
Авторами 15! приведены результаты исследования фазового состояния систем вода - полисахарид-1 -полисахарид-П.
Известно, что для различных по структуре полимеров характерно расслаивание их смесей в общем растворителе. Влияние структуры смешиваемых полимеров на их совместимость изучено /6/ в системах вода -полисахарид-1 -полисахарид-Н, содержащих анионные, неионные полисахариды с различной молекулярной структурой (линейные, разветвленные).
Для придания свойств слабого или прочного тела в водной фазе применяются не один, а два полисахарида и более /20/.
Своеобразными структурными регуляторами выступают галактоманнан ы, которые сами по себе не образуют прочного геля, но могут придавать определенные реологические свойства другим полисахаридам, добавляемым в системы, при этом на более низких уровнях. Получены прочные гели на основе агар-агара, каррагинанов, ксантана, в которые дополнительно вводят галактоманнан, например, муку из плодов рожкового дерева (23 % галактозы, 77 % маннозы). В этом случае образование плотных прочных гелей происходит при негелеобразуюших концентрациях агарозы (0,05 %) и каппа-каррагинана (1 %). Один ксантан при всех доступных концентрациях придает водным системам свойства слабого геля, но с примесью муки из плодов рожкового дерева образует плотные прочные гели/181/.
Термодинамическая совместимость желатины с анионными и неионными полисахаридами в растворе исследовалась /84/ на примере смесей водных растворов желатины и анионного полисахарида - пектина и желатины и неионного полисахарида - декстрана было изучено влияние харак тера межмолекулярных взаимодействий типа белок - полисахарид, белок растворитель, полисахарид — растворитель на термодинамическую совместимость и фазовые равновесия.
В водных смесях, содержащих желатин с пектином или альгинатом Na исследовали термодинамическую совместимость и фазовое равновесие/174/.
Известно, что белки способны образовывать в растворе комплексы с полиэлектрометаллами, в том числе и ионными полисахаридами. Исследованы условия комплексообразования между легумином кормовых бобов и хитозаном. В водных растворах при различном содержании NaCl образование растворимых комплексов при значениях рН выше изоэлектрической точки белка сообщает растворимость как легумину в области значений рН близких к изоэлектрической точке белка, так и хитозану при рН 6,0. Устойчивость комплексов легумин - хитозан при высоких ионных силах свидетельствуют о существенном вкладе в комплексообразование некулонов-ских взаимодействий. Пониженное значение предельного числа вязкости комплекса по сравнению с предельным числом вязкости хитозана указывает на компактизацию макромолекул последнего при взаимодействии с легумином /77/.
В литературе встречаются сведения об использовании композиционных структурообразователей при получении стабильных эмульсионных систем. Авторами /148/ предложена смесь отдельно взятых натриевых и калиевых жирных кислот для стабилизации майонезной эмульсии и сокращения доли яичного порошка.
Статистическая обработка полученных данных
Этот метод включает в себя следующие этапы: взятие навесок и приготовление разведений, посев в чашках Петри, культивирование посевов, подсчет количества выросших колоний и вычисление общего микробного числа/139/.
Определение количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) и количество дрожжей и плесневых грибов проводили следующим образом. Образцы кондитерских изделий асептически взвешивали в количестве 10 граммов на стерильном часовом стекле и растирали в стерильной ступке с постепенным добавлением 90 см стерильного физиологического раствора. Получали разведение 10" . Далее 1 см полученной взвеси стерильной пипеткой переносили из ступки в пробирку с 9 см3 стерильного физиологического раствора, получая разведение 102. Таким же образом получали разведение 10"\ Из каждого разведения производили посев 1 см3 в две стерильные чашки Петри и заливали расплавленной и охлажденной до 45 С плотной питательной средой - мясопептонный агар (МПА) (для определения КМАФАнМ) и сус лоагар (СА) (для определения количества дрожжей и плесневых грибов).
В дальнейшем в связи с незначительной микробной обсемененно-стьго объектов (и даже постепенным уменьшением количества микроорга-низмов в процессе хранения образцов) разведение 10" и 10" не делали, и посев в чашки Петри производили непосредственно из ступки после растирания 10 граммов образца с 90 см3 стерильного физиологического раствора.
Засеянные чашки крышкой вниз помещали для культивирования в термостат при t = 30 С. Количество бактерий (КМАФАнМ) подсчитывали через 72 часа, количество дрожжей и плесеней (при t = 24 С) чрез 120 часов (5 суток) с предварительным учетом через 3 суток (72 часа).
Для подтверждения отсутствия патогенной микрофлоры, в т.ч. бактерий рода Salmonella, исследование проводили посевом 25 г продукта на среды обогащения (среда Мюллера) с термостатированием при 37 С в течение 24 часов и дальнейшего посева на поверхность дифференциально i диагностических сред Плоскирева и висмут-сульфитный агар в чашках Петри.
Для определения титра бактерий группы кишечной палочки или ко лиформы (БГКП) по 1 см3 из разведения 10" помещали в 3 пробирки с по плавками и 9 см3 среды Кесслера и термостатировали при 37 С в течение 24 часов. Затем пробирки рассматривали визуально на наличие газообразо ; вания и помутнения среды.
Описательную статистическую обработку данных вели по Ашмари-ну И.П., Воробьеву А.А., Каминскому Л.К. и Боровикову В.П. /15, 21/.
При обработке цифрового массива рассчитывали следующие показа-тел и: средняя арифметическая величина (М); среднеквадратичное откло 48 нение от средней арифметической (±сг); ошибка среднего арифметического значения (± т); достоверность одного и разница между двумя показателями (t и р); доверительный интервал (I) при заданном уровне вероятности (Р). Среднюю арифметическую величину (М) вычисляли при работе с абсолютными числами. Расчет производили по формуле: Щх) = Ш+ +х("))9 (4) п где х - абсолютное значение индивидуального показателя; п - число наблюдений. Среднее квадратичное отклонение (±ст) рассчитывают по формуле: V rt-1 где (х(1)- М(х))2 - квадрат отклонений результатов i-тых измерений от среднего арифметического значения; п число наблюдений. Определение средней ошибки (± т) проводили по формуле: т = - =, (6)
Оценку достоверности ft) вычисленной средней величины и ошибки определяли по формуле: --. (7) т Установление достоверности выявленных различий между сравнимыми величины разницы ( определяли по формуле: Мх-Мг {т +т2) где Mi и ІУІ2 - сопоставляемые средние величины; nii и iri2 - их средние ошибки. При этом считали величину достоверной при t 2, не достоверной при t 2. Окончательную достоверность показателей устанавливали по показателям доверительного коэффициента Стьюдента-Фишера (Р) с учетом степеней свободы. Достоверным считали величины при р 0,05
Изучение связывающей способности каррагинана по отношению к тяжелым металлам
В зарубежной и отечественной литературе отсутствуют данные об исследованиях детоксикационных свойств каррагинанов. В связи, с чем нами были проведены экспериментальные исследования, направленные на выявление степени и характера влияния различных условий на связывающую способность каррагинана по отношению к тяжелым металлам.
Из перечня тяжелых металлов, попадающих в неблагоприятных условиях в организм человека, для анализов взяты соли свинца и никеля. По данным, полученным в Краснодарском центре Госсанэпиднадзора с этими металлами часто приходится контактировать работающим на ряде промышленных предприятий города. Источником поступления паров свинца в атмосферу являются выбросы автомобильного транспорта, из-за чего его предельно допустимая концентрация вокруг оживленных городских магистралей превышается в десятки раз.
С учетом некоторых предварительных исследований планирование эксперимента принято трехфакторным. Таким образом, суммарное число опытов для проведения одного эксперимента — 20, количество опытов в центре плана - 6, звездное плечо составляет 1,682.
Выбрали факторы, предположительно оказывающие влияние на способность каррагинана связывать ионы металлов: значение рН среды (фактор Х[), массовая доля каррагинана (фактор Хг) и температура модельных растворов (фактор Х3).
Диапазон значений рН, в котором проводились эксперименты, изменялся от 2 до 10, диапазон массовой доли каррагинана - от 0 до 1,0 %, диапазон температур модельных растворов от минус 9 до плюс 100 С.
Исследования связывающей способности каррагинана проводили на основании методики /76/, модифицированной Тамовой М.Ю /144/.
После проведения регрессионно-корреляционного анализа полученных экспериментальных данных на ПК с помощью опции «Поиск решения» программы Statistica, получены адекватные уравнения регрессии, описывающие изменения основных показателей, свидетельствующих о связывающей способности каррагинана по отношению к свинцу (29) и никелю (30) при различных условиях.
В результате обработки экспериментальных данных были получены массивы данных отражающих уравнения регрессии общего вида, показывающие зависимости связывания свинца и никеля каррагинаном в зависимости от концентрации препарата, концентрации ионов водорода и температуры модельного раствора.
Приведенные ниже уравнения регрессии отражают динамику изменения связывающей способности каррагинана по отношению к свинцу (29) и никелю (30): Y= 81,8-40,2-Х, -гЗЗ.Хз+иг-Хз+ЗД-ХгХг-З ФХгХз+ЗД.Х -ІЗ .Хз2 пал У=66,4-2б,99-Х1+33,4-Х2-0,З.Хз+4Д5-ХгХ2.0,З.Х2-Хз+2,75-Х12-5,4-Х22 (ЗО) С целью определения степени влияния изучаемых факторов на связывание металлов полученные результаты интерпретировали на основании ранжирования переменных. Как показали исследования, по степени влия-ния на связывающую способность каррагинана по отношению к РІГ и NrT рассматриваемые факторы можно расположить в ряд по убыванию: рН среды — массовая доля каррагинана — температура.
Определено, что связывание каррагинаном свинца варьирует в пределах 4,2 - 48,0 % (42 - 480 мг Pb27r), в то время как для никеля этот интервал составляет 2,8 - 42,4 % (28 - 424 мг Ni27r).
Нами было установлено, что наибольшее влияние оказывает рН среды - связывание увеличивается с повышением и понижением рН от нейтрального показателя. С повышением массовой доли каррагинана в модельном растворе от 0 до 1,0% пропорционально увеличивается количество связанного металла. Меньшее влияние оказывает действие температур -с повышением температуры связывание увеличивается. Установлена квадратичная зависимость от этого фактора.
Проводимый эксперимент, как сказано выше, является трехфактор-ным, то есть зависит от температуры, концентрации каррагинана и рН среды. Фактически невозможно построить график зависимости в четырехмерном пространстве. Для построения графических зависимостей пользовались методом взаимного исключения одного из факторов эксперимента из уравнения регрессии.
В качестве физиологически функциональных ингредиентов для разработки технологии функциональных продуктов питания пектины выбирали по способности связывать ионы тяжелых металлов. Связывающая спо собность цитрусового пектина на 45 % ниже по сравнению с зостерином, яблочный пектин незначительно уступает свекловичному и зостерину (на 12-15 %), но поскольку по технологическим требованиям, предъявляемым при производстве желейных десертов, наиболее применим яблочный пектин и зостерин, в дальнейшем использовали именно эти виды пектинов.
С целью регулирования технологической направленности структурообразователей представляет интерес исследование композиций, составленных из двух полисахаридов: зостерина низкой степени этерификации (обладающего повышенной комплексообразующей способностью) и каррагинана Liangel (отличающегося повышенной гелеобразующей способностью).
В нашей работе исследовались реологические характеристики водных растворов - каррагинана, зостерина и композиции этих структурообразователей. Во всех растворах массовая доля структурообразователей составляла 1 %. В таблице 7 приведены соотношения пектина и каррагинана в образцах.
Изучалось механическое поведение водных растворов структурообразователей в диапазоне изменения сдвиговых скоростей (0,0015-1,312) -10" сек", при температурах 40, 60, 80 С. По полученным ранее данным известно, что при температуре 38 С раствор каррагинана переходит из золя в гель, поэтому для получения вязкостных характеристик нижним пределом, была выбрана температура растворов 40 С.
Разработка технологии желейных изделий
При изучении свойств каррагинана и пектина был обнаружен небольшой синергетический эффект: суммарное значение студнеобразующей способности геля, в котором одновременно присутствуют каррагинан и пектин, больше суммы значений студнеобразующих характеристик отдельно взятых гелей каррагинана и пектина. В этой связи представляет интерес изучение структурной организации студней с одновременным присутствием этих полисахаридов.
С целью получения термодинамических параметров промежуточных состояний исследуемых- высокомолекулярных соединений, изучения их структурной организации и поведения в исследованиях использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Эксперимент проводили на дифференциальном сканирующем калориметре ДСМ-2М, позволяющем исследовать температуру и теплоту фазовых переходов, а также теплоемкость в интервале температур от минус 150 до плюс 500 С. Энтальпии плавления образцов, их температуры плавления и теплоемкости определяли по стандартной методике (гл. 2.2.19). Скорость сканирования составляла 8 град/мин. Все образцы содержали в различных соотношениях каррагинан и пектин, навески исследуемых образцов со ставляли от 3 до 13 мг, в качестве растворителя использовали ацетатный буфер (CH-jCOOH + NaOH) - рН 5,0. Все образцы охлаждали до минус 30 С до полной кристаллизации жидкой фазы, а затем сканировали вверх со скоростью 8 град/мин до плюс ПО С. ДСК-диаграммы всех образцов (рисунок 24) давали эндотермический пик при температуре от минус 18 С, что свидетельствует о плавлении эвтектики (кристаллогидрат ацетата натрия) с последующим плавлением ликвидуса. Значения температур и интервалов плавления приведены в таблице 11.
Величина удельной теплоты плавления эвтектики в образцах снижалась пропорционально увеличению содержания пектина. Причем, температурный интервал плавления сужался также пропорционально количеству добавленного пектина, что свидетельствовало о снижении содержания свободной влаги в образце.
Образец № 1 (без пектина) после плавления эвтектики (рис. 24-а) содержал некоторое количество свободной влаги. Эндотермический пик образец давал при температуре от 70 до 100 С.
Образец № 2 содержащий 0,1 % пектина, содержал пик плавления эвтектики (рис. 24 - б) в интервале от минус18 до плюс 9 С. Эндотермический пик образца находился в интервале плавления от 50 до 85 С с энтальпией перехода 103,63 кДж/кг, что может быть объяснено разрывом межмолекулярных связей и высвобождением связанной влаги.
В образце № 3, с массовой долей пектина 0,2 % эвтектика и ликвидус плавились в интервале температур от минус 18 до плюс 9 С (рис. 24 - в). Эндотермический пик плавления от 48 до 100 С с энтальпией перехода 120,9 кДж/кг.
Образец № 4, содержащий 0,3 % пектина, после плавления эвтектики в интервале температур от минус 18 до плюс 4 С (рис. 24 - г), которая уже не показала содержания свободной влаги. Имел эндотермический пик при температуре 48 -f 100 С с энтальпией плавления 123,2 кДж/кг.
Причем, в образце № 4 плавление эвтектики и ликвидуса закончилось при температуре таяния льда, что свидетельствует о максимальном связывании свободной влаги в межгелевом пространстве. Примечательно, что образец № 4 содержал максимальное количество пектина. Это дает основание предполагать, что наибольшей влагоудерживающей способностью обладает система, содержащая одновременно каррагинан и пектин в соотношении 1,0:0,3 в 100 г студня.
Все образцы резко меняли свою теплоемкость после температуры 80 -г 85 "С. Связано это с тем, что в этом интервале после плавления рассматриваемых студней конформационный переход системы из студнеобразного состояния в жидкое приводит к высвобождению связанной воды и последующему ее активному испарению.
Известно, что пектин обладает антибактериальной активностью по отношению к неспорообразующим возбудителям пищевых отравлений, стафилококкам, дизентерийным бактериям. Антибактериальная активность возрастает с уменьшением степени этерификации /4, б/. Данных об активности каррагинана в литературе нет, поэтому явилось целесообразным провести исследования по изучению антибактериальной активности каррагинана, пектина и композиционного структурообразователя (карраги-наншектин — 1,0:0,3).
Учитывая дальнейшее применение разработанного композиционного структурообразователя в технологии мармеладо-пастильных изделий, выбор микробиолгичесих исследований осуществляли согласно гигиеническим требованиями (СанПиН 2.3.2.1078-01) для пастилы и мармелада, где нормируются следующие показатели: количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ), бактерии группы кишечной палочки (БГКП) (колиформы), патогенные (в т.ч. сальмонеллы), дрожжи и плесневые грибы.
Для изучения антибактериальной активности структурообразователей, были выбраны два вида микроорганизмов — дрожжи и БГКП (колиформы). Изучаемые полимеры вносили в питательные среды (суслоагар для дрожжей, мясоггептонный бульон - БГКП) в количестве 0,2; 0,5; 1,0; 1,3 г на 100 г среды, расплавляли среду совместно со структурообразователя-ми на водяной бане, затем подвергали стерилизации. В качестве контроля производили посев микроорганизмов на стерильные среды без добавления структурообразователей.
