Введение к работе
Актуальность исследования. Стратегической целью продовольственной безопасности Российской Федерации до 2020 года является: обеспечение населения страны безопасной сельскохозяйственной продукцией, среди основных направлений которой значится создание новых технологий глубокой и комплексной переработки продовольственного сырья.
Анализ публикаций о вопросах увеличения объемов производства продовольствия и повышения его качества показывает их связь с освоением нетрадиционных источников сырья, выпуском новых форм пищевых продуктов, повышением социально-экономической эффективности их производства, рационализацией структуры питания населения и др.
Государственная политика в области здорового питания до 2020 года направлена на сохранение и укрепление здоровья населения, профилактику заболеваний, обусловленных неполноценным и несбалансированным питанием за счет развития производства пищевых продуктов функционального назначения, лечебных и профилактических пищевых продуктов и биологических активных добавок к пище; разработки и внедрения в пищевую промышленность инновационных технологий, включая био- и нанотехнологии.
Формирование здорового типа питания требует дальнейшего наращивания производства новых обогащенных, диетических и функциональных пищевых продуктов. К функциональным ингредиентам относятся пектины, представляющие собой полифункциональные биологические активные вещества, являющиеся одними из наиболее изучаемых веществ, в связи с их большим народнохозяйственным применением (пищевая, медицинская, парфюмерная промышленность). Благодаря свойствам, выявленным в последние годы, они привлекают особое внимание для использования в рационе здорового питания. Пектины могут широко использоваться для профилактики, вспомогательной терапии и поддержки в физиологических границах функциональной активности органов и систем человеческого организма.
Однако, несмотря на наличие стабильной сырьевой базы, производства пектина в России нет из-за продолжительной ориентации государства на импортные поставки. Объемы импорта пектина в настоящее время составляют в среднем 4,5 тыс. т со степенью чистоты не более 70 %. С учетом расширения объемов производства и ассортимента пищевых продуктов функционального назначения потребность в пектине со степенью чистоты выше 70 % составляет свыше 50 тыс. т в год.
Согласно конъюнктурному анализу рынка, 85 % мирового производства пектина приходится на фирмы: СР Kelco (США), Cargill (США), Danisco (Дания), Obipektin (Швейцария), Herbsteith & Fox (Германия). В небольших количествах производят пектин в Китае, Малайзии и Японии. Основными потребителями пектина являются компании: Nestle, GlaxoSmithKline, Danone, Kellogg's, Unilever, Parmalat, Barilla.
Необходимость расширения производства пектина обусловлена постоянным ухудшением экологических показателей во всем мире, приводящих к загрязнению окружающей среды и пищевых продуктов токсическими веществами и радионуклидами, и требует обеспечения безопасности продуктов питания и
проведения профилактических мероприятий.
По мнению экспертов Всемирной Организации Здравоохранения, пектиновые вещества могут применяться человеком без количественных ограничений. При сложившихся социально-экономических и организационных условиях в России следует создавать пектиновое производство для сухого пектина, пектинового экстракта и концентрата, пектиносодержащих композиций и средств.
Большой вклад в развитие отечественной науки о пектиновых веществах, совершенствовании пектинового производства и пектинопродуктов внесли ученые: И.М. Литвак, М.И. Барабанов, Е.В. Сапожникова, ДБ. Сосновский, Г.Б. Аймухамедова, З.Д Ашубаева, Н.П Шелухина., Н.С. Карпович, М.П. Филиппов, Л.В. Донченко, Г.М. Зайко, АА Кочеткова, В.А Компанцев, В.В. Нелина, Л.Я. Родионова, И.А. Ильина, М.Ю. Тамова, АД Лукин, Т.А Орлова, Н.В. Сокол, Ю.С. Хотимченко и другие. Среди современных зарубежных исследований в области химии и технологии пектинов следует отметить работы: AG. Voragen, Н.А. Schols, A.S.B. Cucheval, B.R. Sharma, Cnic-Ming Ziang, Wong W. W, Nirav VPatel, Y. Shimoyama, U. Schab, J. Joida, William G.T. Wfflats и др.
В настоящее время нет универсального типа пектина для широкого спектра использования. Товарные пектины, вырабатываемые по известным технологиям, имеют степень чистоты, как правило, 45.. .50 %, что определяет невозможность их применения в качестве парафармацевтиков, содержащих (в соответствии с международными требованиями) полигалактуроновую кислоту не менее 74%.
В связи с этим актуальным является решение проблемы создания очищенных пектиновых препаратов, специализированных пектиносодержащих продуктов и средств на основе высокоочищенного свекловичного пектина полифункционального назначения, обеспечивающих значительное расширение народнохозяйственного применения пектина.
Тема диссертационного исследования включена в виде отдельного направления в государственную научно-техническую программу ГРНТИ 65.53.91 «Очистка пектиновых веществ из различного пектиносодержащего сырья и использование их в производстве пектинопродуктов лечебно-профилактического назначения» (№ госрегистрации 01.2.00314968) и ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти «Исследование антиоксидантных свойств пектиновых веществ и разработка пектинопродуктов с высокими физиологически функциональными показателями» (НИОКР № 01201175882).
Представляемая к защите работа связана с Основами государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2020 года, приоритетными направлениями развития науки и техники в Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» и Стратегией развития биотехнологической отрасли промьшгленности Российской Федерации до 2020 года.
Цель и задачи исследования. Целью исследования явилось теоретическое обоснование и разработка новых форм пектиновых веществ с дополнитель-
ными функциональными свойствами на основе совершенствования технологии их получения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
дать анализ современного состояния вопроса получения и применения пектина, изучить технологические характеристики свекловичного пектина в соответствии с российскими и международными требованиями;
-
разработать методологию модели и методику исследования для обоснования направлений совершенствования технологии получения и применения свекловичного пектина;
-
усовершенствовать способы подготовки свекловичного жома к гидролизу-экстрагированию пектиновых веществ, осаждения и очистки пектина от балластных веществ, на основе их органолептических и физико-химических свойств;
-
исследовать комплексообразующую способность свекловичного пектина в зависимости от рН экстракта при осаждении и степени очистки от балластных веществ;
-
разработать модели процесса получения высокоочищенного свекловичного пектина при различных технологических параметрах;
-
исследовать закономерности формирования элементного состава и структур свекловичного пектина в зависимости от технологических параметров;
-
исследовать зависимости характеристических групп свекловичного пектина от технологических параметров методом инфракрасной (ИК) спектроскопии;
-
исследовать условия стерилизации пектиновых экстрактов и пленок;
-
исследовать антибактериальные и антиоксидантные свойства пектинов различных форм и концентраций;
-
разработать и внедрить технологии высокоочищенного свекловичного пектина и пектиносодержащих композиций;
-
провести медико-биологическую оценку пектиносодержащих композиций профилактического и лечебно-профилактического назначения;
-
обосновать принципы и технологические решения, направленные на полифункциональность свекловичного пектина.
1.3 Научная концепция. В основу научного решения проблемы создания высокотехнологичных структур (форм пектина) положен комплексный подход к формированию развивающихся технологий получения пектина, в том числе, в виде раствора, геля, пленки самостоятельно и в сочетании с биологическими активными (БАВ) и лекарственными веществами (ЛВ), развития механизмов их защитного влияния, анализа функционирования технологических процессов для производства пищевых продуктов и средств функционального и лечебно-профилактического назначения на основе высокоочищенного свекловичного пектина, обладающего преимущественными комплексообразующими, антибактериальными и антиоксидантными свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Совокупность экспериментальных данных по исследованию строения молекул и структуры свекловичного пектина в зависимости от технологических параметров извлечения и очистки от балластных веществ.
-
Модели и методика эффективных технологий получения новых форм пектиновых веществ в зависимости от количественных соотношений, структуро-и рельефообразующих факторов.
-
Технологические решения по использованию высокоочищенного свекловичного пектина полифункционального назначения за счет преимущественных способностей: комплексообразующей, антибактериальной и антиоксидант-ной.
-
Особенности создания пектиносодержащих композиций на основе высокоочищенного свекловичного пектина, обеспечивающих медико-биологические и клинические эффекты.
1.4 Научная новизна заключается в разработке ключевых положений научно-практического подхода к созданию промышленно ориентированных технологий высокоочищенного свекловичного пектина полифункционального назначения и пектиносодержащих композиций на его основе.
Выявлены основные закономерности влияния способов подготовки свекловичного жома к гидролизу-экстрагированию пектиновых веществ и агента, нейтрализующего пектиновый экстракт, на выход пектиновых веществ; рН среды при осаждении пектина на его выход и содержание в нем балластных веществ.
Обоснована зависимость степени чистоты пектина от режимов ионообменной обработки пектинового экстракта и стадийности процесса очистки пектина. Изменение соотношения катионита и анионита при очистке пектинового экстракта позволяет достичь требуемой степени чистоты пектина. Показано, что при последующей спиртовой очистке пектина удаляются балластные вещества, неудаляемые ионообменной обработкой пектинового экстракта.
Установлена различная эффективность комплексообразующей способности свекловичного пектина в сухом и жидком виде от концентрации в растворе, обусловленная разным строением макромолекул пектина. Расширены сведения о влиянии тепловой обработки пектинового экстракта на комплексообразующую способность, подтверждающие возможность производства консервированных продуктов лечебно-профилактического назначения.
Получены математические модели, характеризующие зависимости изменения рН среды при осаждении пектина и расхода ионитов на очистку пектинового экстракта на показатели качества целевых продуктов. С использованием программ статистики Statistika 7 и из офиса MS Excel получены уравнения регрессии, выявлены зависимости, востребованные при прогнозировании функциональных свойств высокоочищенного свекловичного пектина в зависимости от рН осаждения и очистки от балластных веществ.
На основе рентгеноспектрального анализа веществ показано, что строение макромолекул и структура свекловичного пектина, пектиновых пленок зависят от качества сырья, технологических параметров извлечения, технологии и степени очистки от балластных веществ. Ионообменная и спиртовая очистка увеличивают содержание углерода в элементном составе макромолекул пектина, причем максимальное значение углерода характерно для отличительного нитевидного фрагмента
Методом ИК-спектроскопии установлены закономерности структурных изменений в макромолекулах пектиновых веществ в зависимости от различных технологических условий извлечения и очистки пектина от балластных веществ, а также тепловой обработки пектинового экстракта. Рассчитан коэффициент удельного содержания карбонитов карбоксильных групп в пектине, обусловливающий его функциональную активность. Усовершенствована методика пробо-подготовки пектиновых пленок для ИК-спектроскогши.
Показано, что структурообразование пектиновых растворов зависит от технологических параметров получения пектина и оно связано с явлением структурной и аномальной вязкости.
Обосновано влияние концентрации пектина, гранулометрического состава, водопоглотительной способности, степени чистоты, соотношения ингредиентов и формы связи на эффективность пленкообразования.
Установлены закономерности высыхания пектиновых пленок в зависимости от степени очистки пектина от балластных веществ и температуры процесса сушки.
Показано, что пектиновая пленка, обработанная методом ультрафиолетового облучения, сохраняет стерильность в течение не менее 15 месяцев (гарантийного срока хранения).
Установлено, что свекловичный и подсолнечный пектины (в отличие от яблочного) обладают антибактериальными свойствами по отношению к клиническим штаммам микроорганизмов: Е. coli, Ps. aeruginosa, S. aureus, St. faecalis; Pr. vulgaris. Причем высокоочищенный свекловичный пектин обладает преимущественным антибактериальным действием. Регулирование концентрации пектина в растворе дает возможность задавать необходимый уровень и скорость антибактериального действия. На задержку роста исследуемых микроорганизмов (кроме Ps. aeruginosa) свекловичным пектином оказывает влияние степень кати-онитно-анионитной обработки пектинового экстракта. Усовершенствована методика определения чувствительности микроорганизмов к пектину.
Установлены закономерности проявления антиоксидантной активности (АОА) пектинов в водной и липидной средах в зависимости от вида и технологии получения, обусловливающие их применение в зависимости от химической природы свободных радикалов и биомолекул. Показано, что в водной среде свекловичный жом и все исследуемые пектины проявляют АО А, причем преимущественную - высокоочищенный свекловичный. В липидной среде наибольшей АОА обладает свекловичный пектин крупной фракции. Свекловичный жом и яблочный пектин не проявляют данную активность.
Обоснованы направления эффективного применения высокоочищенного свекловичного пектина и пектиносодержащих композиций.
Научная новизна технических решений подтверждена семью патентами на изобретения Российской Федерации.
Соответствие темы диссертации паспорту специальности. Содержание диссертационной работы соответствует: п. 2, п. 3, п. 5, п. 7, п. 9, п. 10 паспорта специальности 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и
виноградарства и п. 3, п. 5, п. 10, п.П паспорта специальности 05.18.07-Биотехнология пищевых продуктов и биологически активных веществ.
1.5 Практическая значимость. Разработана технология производства высокоочищенного свекловичного пектина полифункционального назначения.
Экспериментально определены условия приготовления и эффективного применения пектинового раствора, геля и пленки.
Определены технологические параметры стерилизации и хранения пектиновых пленок
Разработана техническая проектная документации на производство пектина и пектиносодержащих композиций профилактического и лечебно-профилактического назначения.
Запатентованы новые технологии и рецептуры: Способ получения пектина (патент РФ № 2124848); Композиция для приготовления профилактических напитков и пюре (патент РФ № 2457712); Композиция для изготовления профилактического желе (патент РФ № 2446709); Композиция для изготовления тонизирующих напитков (патент № 2461245); Способ получения антисептической пленки (патент РФ № 2342955); Способ лечения раневых поверхностей (патент РФ № 2360678); Композиция для лечения гнойных ран и трофических язв (патент РФ № 2384338).
Эффективность технологических решений подтверждена производственной выработкой пектина и пектиносодержащих композиций в условиях: ООО «Юмикс» (Майкопский район, Республика Адыгея), ООО «Научно-производственное предприятие «Демиург»» и ООО «Малое инновационное предприятие «Белее»» (г. Пятигорск, Ставропольский край), учебно-инновационного комплекса «Технолог» (г. Майкоп, Ml ГУ).
Экономическая эффективность свекловичного пектина полифункционального назначения применительно к пектиновому производству мощностью 100 т в год на сахарном заводе составляет 24496 тыс. р.
Практическая востребованность, экономическая целесообразность представленных научных разработок подтверждается эффективными результатами лечения больных в ФГУ «378 ВГ СКВО» Минобороны России (г. Краснодар) в 2008-2011 г. г.
Разработанные автором научные положения и практические решения с 2008 по 2011 г. используются в учебном процессе на кафедрах: технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции (Майкопский государственный технологический университет) по дисциплинам «Технология переработки продукции растениеводства», «Основы производства пектина и пекти-нопродуктов», «Технология продуктов общественного питания» и хирургических болезней (Кубанский медицинский институт).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований представлены на 44 Российских и международных конференциях, симпозиумах, съезде и конгрессе, среди которых: Видное-Москва, 1995; Ставрополь, 1995; Углич, 1995; Санкт-Петербург, 1996-1997; Одесса, 1997; Киев, 2000, 2009; Казань, 2003; Воронеж, 2006; Пенза, 2008; Нетания, 2008; Чебоксары, 2008; Гурзуф-Ялта, 2008-2010; Пятигорск, 2009-2010; Шепси, 2011; Краснодар, 1994-1997, 2000, 2003,2007,2009,2011,2012; Майкоп, 1999-2012, Йошкар-Ола, 2013.
Публикации. По теме исследования опубликовано 100 научных работ, включая три монографии, 23 статьи в десяти журналах, рекомендованных ВАК, семь патентов на изобретения Российской Федерации.
Личный вклад автора состоит в решении научно-практических задач по разработке технологии высокоочищенного свекловичного пектина полифункционального назначения и пектиносодержащих композиций на его основе.
Автору принадлежит выбор направления исследования, постановка задач, разработка методов, личное проведение работ, обработка и интерпретация результатов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в двух томах. Первый том, объемом 356 страниц, состоит из введения, шести разделов, выводов, списка литературы (362 наименования), приложения и содержит 72 рисунка и 79 таблиц. Второй том, объемом 187страниц, состоит из 7 приложений.
