Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор 6
1.1 Значение соков и напитков в концепции функционального питания 6
1.2 Физиологе - биохимические особенности красной свеклы как сырья для производства соков и напитков 11
1.2.1 Химический состав столовой свеклы 17
1.3 Красящие пигменты свеклы 19
1.4 Перспективные способы переработки свеклы для получения соков и напитков 24
1.5 Применение ферментных препаратов при производстве овощных соков 30
1.6 Применение электроактивированных растворов в пищевой промышленности 33
1.7 Заключение. Цель и задачи собственных исследований 35
Экспериментальная часть
2 Объекты и методы исследований
2.1 Объекты исследований 38
2.2 Методы исследований 39
3 Результаты исследований и их обсуждение
3.1 Влияние различных технологических факторов на красящие вещества столовой свеклы 66
3.1.1 Изучение влияния сортовых особенностей и технологических факторов на красящие вещества столовой свеклы 66
3.1.2 Влияние металлов на красящие вещества свеклы 71
3.1.3 Влияние ферментов сырья на красящие вещества свеклы 73
3.1.4 Влияние аскорбиновой кислоты на экстрагируемость и стабильность беталаиновых пигментов 76
3.1.5 Оптимизация технологических режимов получения свекольного сока
3.1.6 Влияние процесса электрохимической активации на свекольный сок 83
3.2. Эффективность биотехнологических методов при производстве свекольного сока 91
3.2.1 Применение ферментных препаратов 91
3.2.2 Получение ферментированных (сброженных) соков 106
3.3 Разработка рецептур и технологий новых видов овощефруктовых соков 111
3.3.1 Разработка рецептур купажированных соков 112
3.3.2 Оптимизация рецептур купажированных свекольно-фруктовых соков и нектаров 116
3.3.3 Разработка технологии производства купажированных соков и нектаров, ферментированного и концентрированного соков из столовой свеклы 125
Выводы 139
Список использованных источников
- Физиологе - биохимические особенности красной свеклы как сырья для производства соков и напитков
- Применение электроактивированных растворов в пищевой промышленности
- Изучение влияния сортовых особенностей и технологических факторов на красящие вещества столовой свеклы
- Эффективность биотехнологических методов при производстве свекольного сока
Физиологе - биохимические особенности красной свеклы как сырья для производства соков и напитков
Питание является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье и долголетие человека. Пищевые ингредиенты, поступающие с продуктами питания, в результате сложных биохимических превращений преобразуются в структурные элементы клеток, обеспечивая организм человека пластическим материалом и энергией, определяя здоровье, активность, физическую и умственную работоспособность и продолжительность жизни человека /13,29,50/.
Полноценное и сбалансированное питание способствует действенной профилактике целого ряда заболеваний, повышению иммунитета в отношении неблагоприятного воздействия окружающей среды, является важнейшим условием поддержания здоровья, роста и развития /29,30,32/. Особая роль в этом принадлежит микронутриентам: витаминам, минеральным веществам, антиоксидантам /33/.
Известно, что три четверти населения в большинстве европейских стран страдают заболеваниями, возникновение и развитие которых связаны с неправильным питанием. Болезнями цивилизации считаются избыточная масса тела, высокое кровяное давление, атеросклероз, сахарный диабет, подагра, болезни печени, почек и кишечника. Медики утверждают, что, по меньшей мере, треть всех раковых заболеваний также связана с питанием /31,37,48/.
Одной из негативных тенденций, приводящей к дефициту микронутриентов у современного человека, как в России, так и во всех экономически развитых странах, является возрастание употребления рафинированной пищи пониженной физиологической ценности, чрезмерное употребление простых углеводов, животных жиров, соли одновременно с недостаточным потреблением полноценных белков, пищевых волокон, продуктов растительного происхождения /25,106,114/. Массовые обследования, которые регулярно осуществляет институт питания Российской Академии медицинских наук и охватывают более десяти тысяч человек из различных регионов страны, указывают на крайне недостаточное потребление витаминов, ряда минеральных веществ и микроэлементов значительной частью людей всех возрастных и профессиональных групп, в том числе рабочими промыншенных предприятий, детьми дошкольного и школьного возрастов, учащихся общеобразовательных средне - специальных и высших учебных заведений, беременных и кормящих женщин. По обобщенным данным, недостаток витамина С выявлен у 80-90 % обследуемых людей, а глубина дефицита этого витамина достигает 50-80%. У 40-80% обследуемых недостаточна обеспеченность витаминами Вь В2, Вб, фолиевой кислотой и р-каротином. Среди макро- и микроэлементов особенно неблагоприятно обстоит дело с обеспеченностью железом, кальцием, йодом /67,75,120,144,149/.
Массовому распространению полигиповитаминозов, сочетающихся с недостаточным потреблением целого ряда важнейших макро- и микроэлементов, способствуют также такие дополнительные факторы, как ухудшение состояния окружающей среды, применение в медицинской практике антибиотиков и хими-опрепаратов /80,99,115/.
Дефицит ценных в биологическом отношении пищевых веществ негативно отражается на здоровье людей: снижает иммунитет, ухудшает самочувствие, снижает физическую и умственную работоспособность, усиливает отрицательное воздействие на организм вредных условий труда и неблагоприятных экологических условий, усугубляет течение любых болезней, а также препятствует их успешному лечению /24,47,96,105/.
Таким образом, существует необходимость в коррекции повседневного питания, насыщении организма эссенциальными макро- и микронутриентами для профилактики, комплексного лечения и реабилитации при многих заболеваниях.
Эффективным способом решения данной проблемы является разработка и реализация населению мирового ассортимента продуктов функционального питания. Устойчивая тенденция к росту объемов производства и потребления функциональных продуктов питания отмечается в большинстве стран мира. В России создание технологий производства продуктов лечебно-профилактического назначения является задачей государственной важности, которая реализуется в рамках программы в области здорового питания, утвержденной Правительством РФ в рамках национального проекта «Развитие АПК»/105,117,13 6,15 5/.
По данным компании DSM Nutritional Products, производство продуктов функционального назначения в России в период с 2005 по 2010 годы увеличится на 35 %, а потребление соков на одного человека в год возрастет на 11 % /44,107,134,164/.
Применение электроактивированных растворов в пищевой промышленности
При анализе табличных данных справедлив следующий вывод о том, что при переработке корнеплодов свеклы следует учитывать распределение красящих веществ, а отходы, количество которых составляет 24 - 29 % необходимо рассматривать как вторичное сырье /10,43,63/.
Защитное действие бетанина было изучено на раковых клетках. Целый ряд ученых полагает, что при регулярном употреблении в пищу свеклы или свекольного сока рост раковых образований замедляется. Это связано с тем, что бетанин благодаря свойству связывать атомы водорода, увеличивает дыхательную способность пораженной клетки и тем самым угнетающе действует на раковые образования. Поэтому бетанин часто называют дыхательным ферментом /62,63/.
Известно, что при хранении происходит заметное снижение интенсивности окраски свеклы, которое отчетливо наблюдается в январе - феврале (начинается подготовка к росту) /84,102,118/.
Источником азота, помимо белков, могут быть вторичные азотсодержащие соединения, к которым относятся пигменты. Расход пигментов на эти цели является, очевидно, одной из причин снижения интенсивности окраски свеклы. Так, к концу февраля количество бетанина уменьшается на 30 - 50 % 12,118,146/.
Поэтому одной из задач является разработка методов и режимов производства, которые позволили бы максимально сохранить все полезные свойства красной свеклы, и устранить или, по крайней мере, уменьшить потери интенсивности окраски, происходящие на технологических операциях и в процессе хранения готовой продукции.
Процесс консервирования тем лучше и эффективнее, чем меньшие изменения он вызьшает в продуктах по сравнению с их первоначальными свойствами и чем более длительный срок их хранения он обеспечивает 121. Известен способ производства свекольного сока, предусматривающий двукратную мойку, обрезку концов, ополаскивание, обработку паром в закрытых аппаратах при температуре 100 - 105 С до готовности, измельчение на дробилках на частицы размером 2 — 6 мм и прессование на пак-прессе, очищение сока от взвесей сепарированием, нагрев до 90 С, розлив в тару, укупоривание и стерилизацию в течение 25 минут (для банок и бутылок 0,5 л при 116 С) /67,73,84,132/.
Аналогичную технологию применяют для получения свекольного сока в США. Отличие состоит в том, что бланширование свеклы осуществляют в воде, измельчение проводят на молотковой дробилке на частицы размером 12 мм, прессование осуществляется на гидравлическом прессе, при этом мезга предварительно смешивается со вспомогательными фильтрующими материалами.
В Болгарии при производстве свекольного сока исключают операцию бланширования, а измельчают и прессуют свежую свеклу /148/.
Однако проведенные исследования показали, что при прессовании неблан-шированной свеклы выход сока снижается на 30 % и более /61,125/.
Среди исследователей нет однозначного мнения о необходимости применения процесса бланширования при производстве сока из свеклы.
Основной целью бланширования при производстве соков является переход нерастворимого протопектина в растворимый пектин, что способствует лучшей со-коотдаче, а также инактивации нежелательных ферментов. Большинство ферментов инактивируют уже при температуре 82 С, однако наиболее устойчивыми к воздействию теплоты являются ферменты пероксидаза, меньше каталаза. Бланширование, как правило, проводят путем использования нагретой воды, пара.
Одним из важнейших показателей при бланшировании являются потери питательных веществ вследствие их экстрагирования. Потери растворимых сухих веществ овощей при бланшировании в воде составляют 5 - 30 %. При многократном использовании бланшировочных вод потери уменьшаются благодаря снижению градиента концентраций между бланшируемым материалом и используемой водой. При 5-10 кратном использовании воды для бланширования потери уменьшаются примерно в два раза.
Потери питательных веществ можно уменьшить за счет других мероприятий, например добавления лимонной кислоты, которая обладает еще и антиокислительным действием. Известно, что лимонная кислота является синергистом, образуя комплексные соединения /110,123,132/. Более сильным антиокислительным действием обладает аскорбиновая кислота, однако ее применение для бланширования связано с дополнительными затратами. Иногда используют смесь лимонной и аскорбиновой кислот /52,54/. При паровом способе бланширования потери за счет экстрагирования меньше, но они повышаются с увеличением давления. При этом также увеличиваются потери и ароматических веществ. Недостатком парового способа бланширования является перегрев поверхностных слоев неравномерно бланшируемого материала, что приводит к ухудшению его консистенции /91/. Потери растворимых сухих веществ при проведении бланширования в чистой воде примерно в два раза больше, чем при применении для этих целей пара. Качественные показатели красной свеклы, прошедшей тепловлажностную обработку, приведены в таблице 5:
Изучение влияния сортовых особенностей и технологических факторов на красящие вещества столовой свеклы
При последующем (после спирта) извлечении углеводов холодной водой в раствор переходят коллоидные полисахариды, растворимые в воде: декстрины, инулин и другие легкогидролизуемые полисахариды, слизи и часть пектиновых веществ (II группа углеводов).
К нерастворимым подвижным углеводам относится главным образом крахмал, который может быть извлечен из растительного материала водой, после предварительного ферментативного гидролиза (III группа углеводов).
К малоподвижным углеводам относятся гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Эта группа углеводов довольно разнообразная и трудно дифференцируемая, поэтому обычно определяют содержание углеводов этого типа суммарно по их восстанавливающей способности после гидролиза материала 2%-ной НС1 (IV группа углеводов).
После определения I-IV групп углеводов в растительном материале остаются неподвижные углеводы, представляющие собой скелетные вещества растений, к которым относится главным образом клетчатка (V группа углеводов).
Определение фракционного состава углеводов вели в следующей последовательности: для определения всех групп углеводов брали две навески по 5 г растительного материала, который тщательно растирали в ступке.
Для извлечения углеводов I группы навески материала заливали спиртом такой концентрации, чтобы конечная его концентрация (с учетом влажности материала) составляла 82% и нагревали на водяной бане при температуре 70-78С в течение 30 минут. После нагревания давали вытяжке немного отстояться и фильтровали через беззольный фильтр. После фильтрования фильтрат собирали в колбу для отгонки спирта в вакууме, а остаток вместе с фильтром - в колбу, в которой проводилась экстракция. Экстракцию материала спиртом таким же образом повторяли еще три раза.
После трех обработок материала 82%-ным спиртом достигается полное извлечение Сахаров. Отгоняли спирт под вакуумом на бане при температуре 40-45С из обычной короткогорлой круглодонной колбы.
После отгонки спирта в отгонной колбе оставалось небольшое количество сиропообразной жидкости. Получившийся сироп растворяли теплой водой (4 раза по 15-20 мл) и количественно переносили в мерную колбу на 250 мл, в которой согласно методике определения редуцирующих веществ и общего сахара готовили вытяжку для дифференцированного определения Сахаров I группы, растворимых в спирте. Прежде всего, определяли непосредственную восстанавливающую способность раствора, показывающую наличие в нем свободных гексоз и половину восстанавливающих дисахаридов типа мальтозы. Затем применяли гидролиз для определения количества сахарозы.
При определении содержания углеводов II группы извлеченный спиртом материал освобождали от спирта высушиванием фильтра в сушильном шкафу при температуре 40-50С. После высушивания материал переносили в прежнюю колбу и экстрагировали 3-4 раза водой при температуре 45-50С (по 15-20 минут). Экстракты отфильтровывали и сгущали на водяной бане до объема 20-25 мл.
К сгущенному экстракту добавляли такое количество 20%-ной НС1, чтобы конечная концентрация ее в растворе была 2%-ной, и затем гидролизовали полисахариды 3 часа на кипящей водяной бане. После гидролиза раствор нейтрализовали Na2C03 15%-ным и в мерной колбе на 250 мл готовили вытяжку для определения восстанавливающих Сахаров. Количество полисахаридов определяли умножением количества редуцирующих Сахаров на 0,9.
При определении углеводов III группы углеводов материал после извлечения водой переносили в прежнюю колбу. Общий объем воды в колбе не должен превышать 60-100 мл. После этого проводили оклейстеризовывание крахмала нагреванием на водяной бане в течение 30 минут при температуре 60С. Затем прибавляли 2 мл разбавленной в 5 раз и профильтрованной слюны, несколько капель толуола и ставили в термостат на 24 часа при температуре 40С. Слюна содержит амилазы, расщепляющие крахмал до мальтозы.
После расщепления крахмала, производили фильтрование через тот же стеклянный фильтр и промывали осадок водой. Следили, чтобы весь осадок был тщательно перенесен на фильтр. Раствор сгущали на бане до объема 50 мл и проводили гидролиз мальтозы и декстринов 2%-ной НС1 на кипящей водяной бане в течение трех часов. Затем соляную кислоту нейтрализовывали №гСОз 15%-ным до нейтральной реакции на лакмус и в колбе на 250 мл готовили вытяжку для определения редуцирующих Сахаров. Содержание крахмала вычисляли умножением количества глюкозы на 0,9.
Остаток материала после определения крахмала переносили в прежнюю колбу, воронку смывали определенным объемом воды (50-100мл) и для определения углеводов IV группы к содержимому колбы добавляли такой объем 20%-ной НС1, чтобы во всем объеме конечная концентрация НС1 была 2%-ной. Гемицеллюлозы гидролизовали нагреванием на кипящей водяной бане в течение 3 часов.
После окончания гидролиза раствор фильтровали через тот же стеклянный фильтр, осадок промывали, фильтрат сгущали на бане, кислоту нейтрализовали и в колбе на 250 мл готовили вытяжку для определения редуцирующих Сахаров. В растворе определяли редуцирующие сахара и умножением результата на 0,9 рассчитывали количество углеводов IV группы.
Эффективность биотехнологических методов при производстве свекольного сока
Результаты, представленные на рисунках 29 и 30, показывают, что обработка мезги пектолитическими ферментными препаратами является наиболее эффективным способом повышения выхода сока по сравнению с бланшированием и замораживанием-оттаиванием. Он позволяет увеличить выход сока на 14% по сравнению с контролем. Необходимо также отметить, что вышеуказанные способы оказывают различное влияние на содержание бетацианов в свекольном соке.
Наибольшие потери красных пигментов обусловлены применением процесса бланширования, а максимальное их количество выявлено после ферментации, что можно объяснить их лучшей экстрагируемостью и более щадящими условиями обработки.
В ходе исследований также отмечено, что в результате действия фермента значительно ослабевает специфический свекольный привкус, улучшается аромат продукта, цвет становится более насыщенным.
Таким образом, обработка свёклы пектолитическими ферментами является наиболее эффективным способом повышения выхода сока по сравнению с бланпшрованием и замораживанием-оттаиванием. Он позволяет увеличить выход сока на 14% по сравнению с контролем, при этом сохранить красящие вещества и улучшить вкусо-ароматические свойства продукта.
Эффективное действие ферментных препаратов связано с множеством технологических факторов, которые способны оказывать как позитивное, так и негативное влияние. Одним из таких параметров является степень измельчения сырья, которая существенным образом сказывается на количестве получаемого после ферментации продукта. Технологии, предлагаемые различными авторами для получения свекольного сока не дают четких рекомендаций относительно размеров, до которых необходимо измельчать сырье перед обработкой мезги ферментными препаратами. В целях нахождения оптимальных условий ферментативной обработки варьировали степень предварительного измельчения сырья, оставляя постоянными значения температуры и активной кислотности. Исследуемые варианты измельчения ткани свеклы представлены в таблице 11.
На основании полученных результатов и с учетом возможностей существующего технологического оборудования рекомендуемый размер частиц составил 6x3x1 мм, он и был выбран для дальнейших исследований.
Степень измельчения сырья оказывает положительное влияние не только на выход сока, но и на качество получаемого продукта. Было установлено, что при размере частиц 6x3x1 мм происходит увеличение массовой доли сухих веществ на 1-2 %. Вероятно это связано с тем, что данный размер частиц увеличивает взаимодоступность фермента и субстрата и способствует лучшей отдаче сока при последующем отжиме.
Правильный выбор ферментного препарата занимает одну из ключевых позиций в организации сокового производства. Предлагаемые различными производителями ферментные препараты, отличаются по своей активности и способу воздействия на растительные ткани, причем состав препаратов не всегда раскрывается из коммерческих соображений. С целью определения особенностей их действия и подбора оптимального варианта, который позволил бы увеличить выход сока из свеклы и при этом максимально сохранить красящие вещества, исследовали влияние ряда ферментных препаратов мацерирующего Pectinex Ultra SP-L (Дания) и пектолитического действия Fructozym P6-L, Fructozym MA-X-Press и Fructozym Color (Германия) на измельченную свекольную мезгу.
Ферментные препараты вносили в свекольную мезгу, измельченную до частиц размером 6x3x1 мм, подкисленную лимонной кислотой до рН=4,0 бланшированную в течение 6 минут при температуре 82 С. Часть образцов подготавливали аналогичным способом, но без бланширования. Ферментацию проводили при температуре 36 С в течение 120 минут с периодическим перемешиванием.
Для оценки эффективности действия ферментов определяли выход сока и количество красных пигментов по величине оптической плотности при длине волны Х=535 нм. В качестве контроля использовали свекольный сок, полученный без применения ферментативной обработки.
Анализ диаграмм, представленных на рисунках 31 а и б, показывает, что внесение ферментных препаратов в небланшированную мезгу способствует незначительному увеличению выхода сока на 3-5 %. После бланширования эффективность действия ферментных препаратов возрастает, о чем свидетельствует увеличение выхода сока от 14 до 20 %, в зависимости от вида ферментного препарата. Эффективность препаратов мацерирующего действия (Pectinex Ultra SP-L) в отношении свеклы оказалась несколько ниже, чем пектолитического. Наибольший выход сока обеспечивают ферментные препараты Fructozym MA-X-Press - 68 % и Fructozym Color - 66 %, их применение также способствует сохранению лабильных компонентов сырья, в частности, красных пигментов (рисунок 32).
