Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор патентно-информационной литературы 7
1.1 Обоснование необходимости создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности 7
1.2 Пектин как защитный компонент пищевых продуктов 10
1.2.1 Строение и физико-химические свойства пектиновых веществ 10
1.2.2 Применение пектина в пищевой промышленности 20
1.3 Молочная сыворотка как биологически ценное сырье в производстве продуктов питания 22
1.4 Современные направления в производстве соусов 30
1.5 Заключение. Задачи собственных исследований 35
2. Постановка исследований 37
2.1 Объекты исследования 37
2.2 Методы исследования 39
3. Обоснование применения пектина и молочной сыворотки в технологии плодоовощных соусов 58
3.1 Изучение физико-химических свойств основных пищевых компонентов соусов 58
3.2 Изучение влияния пищевых компонентов пектиносодержащих соусов на связывание ионов токсичных металлов 62
3.3 Изучение влияния тепловой обработки на реологические и детоксикационные свойства системы «пектин - молочная сыворотка» 68
4. Разработка научно обоснованных рецептур и технологий пектиносодержащих соусов 76
4. 1 Обоснование выбора основного и вспомогательного сырья 76
4.2 Разработка рецептур и технологий пектиносодержащих соусов на плодоовощной основе 81
4.2.1 Разработка рецептурных композиций плодоовощных соусов 81
4.2.2 Разработка технологий плодоовощных соусов 83
4.2.3 Изучение структурно-вязкостных свойств соусных композиций на плодоовощной основе 87
4..3 Разработка рецептуры и технологии соуса на масляной основе 89
4.3.1 Изучение пищевой ценности и показателей безопасности эмульгаторов, используемых в производстве соусов на масляной основе 89
4.3.2 Использование пектина и молочной сыворотки в производстве соусов на масляной основе 92
4.3.3 Выбор способа введения пектина в соусные эмульсии 97
4.3.4 Проектирование рецептурной композиции и разработка технологии соуса на масляной основе 98
4.3.5 Усовершенствование конструкции рабочего органа взбивальной машины MB - 60 для производства соусных эмульсий 100
5 Комплексные исследования качества и безопасности пектиносодержащих соусов 109
5.1 Изучение общехимического состава соусов 109
5.2 Определение показателей безопасности соусов 114
5..3 Изучение относительной биологической ценности разработанных соусов по тест организму Tetrachymena Pyriformis 117
5.4 Органолептическая оценка соусов 118
6 Разработка нормативной документации и промышленная апробация разработанных технологий 121
6.1 Промышленная апробация разработанных соусов 121
6.2 Оценка экономической целесообразности разработок 122
Выводы и рекомендации 124
Список использованных источников 126
Приложение 1 Расширенные матрицы планирования эксперимента по изучению связывания ионов свинца и никеля в системе «пектин -МС -масло - металл» 152
Приложение 2 Технологические схемы производства пектиносодержащих соусов 155
Приложение 3 Результаты реализации оценки пищевой ценности плодоовощного соуса «Любимый» с помощью автоматизированной базы данных 161
Приложение 4 Разработанная нормативная документация на пектиносодержащие соусы 171
- Строение и физико-химические свойства пектиновых веществ
- Изучение влияния тепловой обработки на реологические и детоксикационные свойства системы «пектин - молочная сыворотка»
- Усовершенствование конструкции рабочего органа взбивальной машины MB - 60 для производства соусных эмульсий
- Промышленная апробация разработанных соусов
Строение и физико-химические свойства пектиновых веществ
При создании продуктов питания профилактического назначения особое внимание уделяется пищевым веществам, нейтрализующим вредные воздействия окружающей среды и способствующим нормальному функционированию организма. Одним из таких веществ является пектин /15, 44, 112, 210, 211,229,243,251/.
Термином «пектиновые вещества» объединены все формы пектинов, встречающиеся в природе, - водорастворимый пектин, пектиновые кислоты, пектовые кислоты, протопектин. Эти вещества определяют как группу гете-рополисахаридов сложного строения, основу которых составляют молекулы Д-галактуроновой кислоты, гликозидно связанные между собой а-1—й-связями в полигалактуроновую кислоту. Часть карбоксильных групп ее этерифицирована метанолом, часть вторичных спиртовых групп может быть ацетилирована. В полимерную линейную молекулу главной цепи неравномерно через а-1,2-гликозидную связь включаются молекулы L-рамнозы, придавая ей зигзагообразный характер. В виде боковых цепочек к основной макромолекуле присоединяются ксилоза, арабиноза, галактоза, посредством которых молекула пектина и связывается с молекулами целлюлозы в растительных тканях /4, 26, 67,196, 214, 215, 231,236/.
В соответствии с современными представлениями о строении пектиновых веществ, на рисунке 1 представлены наиболее часто применяемые формы изображения молекулы пектина.
По физическим свойствам пектин является лиофильным коллоидом /88, 228/. Наилучшим растворителем пектиновых веществ является вода. Растворимость в воде увеличивается при повышении степени этерификации и уменьшении размера молекул /88, 171, 214/. Пектины с небольшим содержанием метоксильных групп (3 %) плохо растворимы в воде, а те, которые не содержат метоксильных групп или с замещенными карбоксильными группами на ионы поливалентных металлов, нерастворимы /201/.
Растворы пектинов обладают высокой вязкостью, связанной сложным образом с формой макромолекул и характером межмолекулярных взаимодействий /4, 26/. Основной причиной отклонения вязкости пектиновых растворов от законов, которым подчиняются растворы низкомолекулярных веществ, является взаимодействие вытянутых и гибких макромолекул, часто образующих структурированные системы, которые сильно увеличивают вязкость раствора. Другая причина высокой вязкости состоит в большой гидратации макромолекул.
Вязкость пектиновых растворов зависит от различных факторов, в частности от величины молекулярной массы пектина, его степени этерификации, рН среды, температуры. Так, с увеличением молекулярной массы при прочих равных условиях вязкость увеличивается. При одной и той же молекулярной массе вязкость повышается с увеличением электрического заряда макромолекулы, определяемого количеством свободных карбоксильных групп. С уменьшением степени этерификации независимо от диссоциации свободных карбоксильных групп вязкость уменьшается /88/. Вязкость пектиновых растворов меняется в зависимости от рН среды. В нейтральной среде она наибольшая, а при рН = 4 - наименьшая /67/.
Установлено, что молекулы пектина в растворе чувствительны к термическому воздействию /19, 48, 206, 215/. С повышением температуры вязкость снижается из-за разрушения структуры пектиновых веществ. Однако, при температуре выше 100 С происходит деградация пектинов, что в свою очередь вызывает необратимое снижение вязкости раствора /10, 44, 46, 88, 214/.
Вязкость пектиновых растворов увеличивается при добавлении к ним веществ, способных вызвать коагуляцию /67, 242/.
Влагосвязывающая способность пектина определяет его эмульгирующие свойства. Так, в процессе эмульгирования пектин образует вокруг жировых шариков мембраны. При этом его молекулы в пограничной зоне соответствующим образом ориентируются и сольватируют воду, что приводит к повышению вязкости эмульсии /67,142/.
Важнейшим физико-химическим свойством, определяющим область применения пектиновых веществ, является студнеобразующая способность. Она обусловлена их химическим строением, а именно, трансрасположением гидроксильных групп у второго и третьего атомов углерода в звене ангидро-галактуроновой кислоты /215, 219, 222/. Студни могут образовываться при помощи гомеополярных связей (через главные валентности), гетерополярных (ионных) связей и вторичновалентных (между коллоидными частицами) /26, 67/.
Условия студнеобразования пектина определяются его степенью эте-рификации. Так, низкометоксилированные пектины образуют студни только в присутствии ионов двух- и многовалентных металлов /105, 227/. Молекулы пектина взаимодействуют между собой за счет свободных карбоксильных групп, связанных ионом металла (основной валентностью) в прочный каркас, удерживающий достаточно жидкости. Студни такого типа называются ион-носвязанными. Высокометоксилированные пектины образуют кислотно-сахарные пектиновые структуры с побочной валентностью, т. е. с помощью водородных связей с участием недиссоциированных свободных карбоксильных групп. Прочность таких студней зависит главным образом от молекулярной массы пектина, количества сахара и кислоты, а также от рН среды и содержания сухих веществ /53, 248/. Студни, полученные из пектинов со степенью этерификации равной или близкой к 50 %, называются промежуточ-ными. В таких студнях могут присутствовать и сахар и ионы Са /88/.
Модели студнеобразования низкометоксилированного и высокометок-силированного пектинов приведены на рисунке 2.
Таким образом, в зависимости от условий, при которых образуется студень, его скелет создается при неодинаковом количественном участии различных связей.
Большое значение в студнеобразования пектина имеет природа его происхождения, а также способ выделения и очистки /200/.
Медико-биологическими исследованиями установлено, что пектиновые вещества обладают комплексообразующими свойствами, что также обусловлено особенностями их химической структуры /25, 52, 59, 106, 124, 170, 212, 232/.
Согласно современным представлениям пектиновый комплекс - это полимер, основой которого является полигалактуроновая цепь, отдельные звенья которой этерифицированы метиловым спиртом. Общеизвестно, что наличие свободных карбоксильных групп обуславливает способность пектиновых кислот образовывать пектаты, довольно устойчивые в кислой среде. Ряд исследователей считают, что комплексообразование возможно и через карбоксильные группы посредством основных (валентных) связей с катионами металлов, а также за счет координационных связей ионов металлов с атомами кислорода из гликозидных связей, кислорода из колец и спиртовых групп/214/.
Современные представления о модели взаимодействия пектина с металлами представлены на рисунке 3.
Из предложенной модели комплексообразования типа «решетка для яиц» видно, что ион металла участвует в девяти координационных связях с двумя атомами кислорода из гликозидных связей, двумя атомами кислорода из колец, двумя кислотными остатками с тремя спиртовыми группами. Анализ результатов многочисленных исследований, посвященных изучению химизма процесса комплексообразования, показывает, что в настоящее время не существует единой теории взаимодействия пектиновых веществ с ионами металлов, в связи с чем, вопрос комплексообразования пектиновых веществ в химическом аспекте представляет интерес в дальнейшем его исследовании.
Способность пектинов связывать поливалентные металлы зависит от степени этерификации и полимеризации пектиновых молекул, от рН среды, в которой происходит взаимодействие «пектин - металл», от соотношения их концентраций, а также от природы комплексообразующего атома металла /87,190/.
Следует отметить, что степень этерификации является наиболее важным фактором, обуславливающим связь катионов поливалентных металлов с пектином, поскольку определяет так называемую линейную плотность заряда макромолекулы, а, следовательно, силу и способ связи катионов. Установлено, что наиболее высокой связывающей способностью обладают низкометок-силированные пектины /171/. Это объясняется тем, что с уменьшением степени этерификации возрастает величина заряда макромолекулы пектина, что усиливает ее связь с катионами металлов. При снижении степени этерификации ниже 40 % происходит изменение конформации, приводящее к агрегатированию пектиновой макромолекулы и изменению внутримолекулярной электростатической связи ионов металла на более прочную внутримолекулярную хелатную связь /67/. При этом катионы связываются в областях, расположенных между параллельно расположенными цепочками пектиновых макромолекул при участии атомов кислорода гликозидной связи, пираноид-ного кольца и кислорода гидроксильных групп Д-галактуроновой кислоты /44/.
Изучение влияния тепловой обработки на реологические и детоксикационные свойства системы «пектин - молочная сыворотка»
Одним из наиболее важных показателей качества соусов являются их реологические свойства. Используя пектин, можно целенаправленно влиять на формирование определенной границы текучести и структурно - вязкостного поведения продукта. Поэтому нами была поставлена цель, определить оптимальную концентрацию пектина, необходимую для обеспечения продукта с заданной консистенцией. Изучена вязкость модельных растворов с различным содержанием пектина, рис. 8. Экспериментально установлено, что концентрация пектина в диапазоне 0,5 - 1,0 % обеспечивает необходимую вязкость соусов.
В связи с использованием в качестве жидкой основы соусов молочной сыворотки изучена степень ее влияния на кинематическую вязкость растворов «пектин - МС» с установленным ранее содержанием пектина. Концентрация молочной сыворотки изменялась от 0 до 60 %. Полученные результаты представлены на рисунке 9.
Анализ полученных данных, показал, что зависимость изменения вязкости исследуемых растворов «пектин - МС» от массовой доли в них сыворотки имеет различный характер. В растворах, содержащих 0,5 % пектина, наибольшая вязкость наблюдается при содержании сыворотки 10-25 %. В растворах, содержащих 1,0 % пектина, изменение вязкости имеет нелинейный характер, позволяющий определить концентрацию сыворотки, при которой система достигает наибольшей вязкости (20-40 %).
Для теоретического обоснования технологии консервированных соусов с гарантированным содержанием пектина и сыворотки изучено влияние температурного фактора на реологические свойства системы «пектин - МС». С этой целью готовили модельные образцы растворов, содержащие 40 % сыворотки и различное количество пектина, и подвергали их термостатированию при температурах 98 ± 2 С и 105± 3 С. Контролем служили результаты измерения вязкости системы «пектин - МС» при температуре 20 С , рис. 10.
Установили, что в процессе тепловой обработки исследуемых систем вязкость растворов уменьшается: при температуре 98 ± 2 С на 2 - 3 %, а при температуре 105 ± 3 на 6-8 %. В связи с тем, что в производстве соусов применяются такие технологические процессы как варка и стерилизация изучали изменение вязкости при температурах 98 ± 2 Си 105± 3 С в зависимости от времени тепловой обработки, рисунок 11.
На основании полученных данных, установили, что при нагревании в течение 20 минут заметного уменьшения вязкости исследуемых растворов не наблюдается.
Дальнейшее же продолжение тепловой обработки нецелесообразно, вследствие потери структурных свойств системы. Результаты проведенных исследований были учтены при обосновании выбора режимов стерилизации консервированных пектиносодержащих соусов с молочной сывороткой.
С целью прогнозирования детоксикационных свойств консервированных соусов с пектином и молочной сывороткой изучали влияние температурного фактора на связывание ионов токсичных металлов в системе «пектин - МС - металл». С этой целью модельные растворы подвергали термостати-рованию при температуре 105 ± 3 С0 в интервале от 5 до 40 минут. Результаты исследований приведены на рис. 12. Анализируя полученные данные установили, что при тепловой обработки в течение 15-20 минут происходит незначительно уменьшение связывания металлов в этой системе (для Рв2+ -на 3,0-4,0 % для Ni - на 4,5-5,0 %). По-видимому, это связано с изменениями, происходящими в структуре молекулы пектина в результате воздействия высоких температур.
Таким образом, установлено, что для повышения пищевой и биологической ценности пектиносодержащих соусов возможно применение молочной сыворотки и масла подсолнечного рафинированного дезодорированного, при этом детоксикационные свойства продукта остаются на достаточно высоком уровне. Установленное в результате изучения реологических свойств соотношение пектина и молочной сыворотки обеспечивает оптимальную границу текучести соусов (1:30-40 %). Для обоснования технологии консервированных пектиносодержащих соусов выявлено, что применение тепловой обработки незначительно снижает связывание ионов токсичных металлов. При этом определена длительность воздействия тепловой обработки (20 мин), позволяющая сохранять структурно-вязкостные свойства соусов.
Усовершенствование конструкции рабочего органа взбивальной машины MB - 60 для производства соусных эмульсий
Гомогенизация эмульсий является одной из важнейших технологических операций производства соусов, определяющая дисперсный состав готового продукта, а, следовательно, его основные физико-химические характеристики, особенно такие, как вязкость и стойкость при хранении. В отличие от специальных гомогенизаторов, используемых для выработки соусов на основе растительного масла в условиях промышленного производства, на предприятиях малого производства применяют традиционное механическое оборудование, в частности взбивальные машины. Проведенные нами микроскопические исследования соусов, приготовленных с использованием взбивальной машины МВ-60, показали, что неоднородность жировых шариков и их величина значительно отличаются от показателей образцов промышленного производства. Такое различие при хранении соуса, несомненно, приводит к коалесценции в системе, а, следовательно, и к разрушению эмульсии. В связи с этим, нашей целью являлось решение проблемы, связанной с получением однородной системы соусной эмульсии на взбивальной машине МВ-60, где в качестве рабочего органа используется прутковый венчик.
Данную задачу решали через изменение физических параметров процесса:
- увеличивали рабочую поверхность венчика при постоянной угловой скорости вращения;
- увеличивали температуру системы с целью снижения работы вращающегося венчика.
Исследования показали, что рабочую поверхность пруткового венчика взбивальной машины МВ-60 можно рассчитать по формуле:
S = (2IIr 1) п, (33)
где, S - рабочая поверхность пруткового венчика, м г - радиус прутка, м; 1 - длина прутка, м; п - количество прутков, шт.
Для взбивальной машины MB - 60 рабочая поверхность пруткового венчика составляет
S = (2 3,14 2 Ю-3 0,5)24 = 0,15 (34)
Таким образом, установили, что рабочая поверхность пруткового вен-чика (S, м ) взбивальной машины MB - 60 составляет 0,15м .
Механизм получения эмульсии посредством взбивальной машины представляет собой процесс, связанный с дроблением шариков масла прутками рабочего инструмента, причем режущие кромки рабочего органа атакуют жировые шарики только в вертикальном положении, что приводит к их обратному отталкиванию. Вероятность того, что дробление масляного шарика произойдет с первого раза, составляет 30-50 %. Для увеличения частоты дробления мы увеличивали активную поверхность венчика на 10% и 25 % с одновременным наклоном прутков в сторону вращения на 30 + 45 . Таким образом, наклонный пруток выполняет функцию резанья, при этом момент отталкивания практически исчезает.
Были приготовлены опытные образцы с применением как традиционного, так и модифицированного венчиков. Результаты микроскопирования полученных эмульсий представлены в таблице 21.
Ориентируясь на показатели соуса майонез промышленного производства, в котором однородность эмульсии выдерживается за счет частиц размером 1,7 мк и количество которых составляет 85 %, видно, что соус «Пикантный», приготовленный на взбивальной машины, не однороден, так как величина жировых шариков, встречающихся чаще других, составляет 2,0 мк (46 %) и 2,1 мк (28 %), рис. 19. В соответствии с этим, полученная коллоидная система считается не устойчивой и способной к расслаиванию при хранении. Такое предположение подтвердилось результатами хранения данного образца при температуре 20-22 С в течение 7 дней, что показано на рис. 20. Майонезы, приготовленные с использованием модифицированных венчиков, в которых активная поверхность увеличена на 10 % и 25 %, более однородны. Показатели их качества значительно отличаются от показателей качества традиционного соуса майонез. Так, в полученных образцах, разброс частиц с различной величиной сокращается, количество жировых шариков одинаковой размерности выравнивается, укладываясь в три - четыре показателя, табл. 21.
Динамику устойчивости и стабильности соусных эмульсий исследовали после хранения. Результаты приведены на рисунке 22. Как видно из полученных данных, состояние эмульсий, полученных при использовании модифицированного рабочего органа, после хранения не ухудшилось.
Известно, что оптимальной температурой приготовления соусов с повышенным содержанием растительного масла является температура 16 + 18 С. С целью снижения работы вращающегося венчика увеличивали температуру пищевой системы до 22 - -24 С. В результате полученных данных, установили, что увеличение температуры улучшает показатели качества соуса и при этом способствует снижению времени его приготовления с 18 20 минут до 10+- 12 минут.
Таким образом, стабильность соусных эмульсий в отношении разрушения может быть достигнута за счет получения однородных по размерам частиц с помощью модифицированного венчика. Увеличение температуры компонентов пищевой системы до 22- 24С позволяет сокращать время приготовления соусов в среднем на 10 минут. Анализируя полученные результаты, можно рекомендовать установленные параметры процесса для ресурсосберегающей технологии соусов на основе растительного масла .
Промышленная апробация разработанных соусов
На пектиносодержащие соусы разработана и утверждена нормативная документация:
- ТУ 9162 - 006 - 02067862 - 2000 «Консервы. Соус плодоовощной "Любимый"»;
- ТУ 9162 - 008 - 02067862 - 2000 «Консервы. Плодоовощные соусы»;
- технико-технологическая карта на производство соуса майонеза с пектином «Пикантный».
На плодоовощные соусы разработаны и утверждены технологические инструкции.
Нормативная документация на пектиносодержащие соусы представлена в приложении 4.
На основании выше перечисленных документов была произведена промышленная апробация предложенных технологий. Выпущена опытная партия продукции в условиях консервного завода ООО «Медведовского завода плодопереработки». Дано заключение по проведению испытаний новой технологии производства плодоовощных соусов в условиях промышленного производства ООО «Медведовского завода плодопереработки» и соуса «Пикантный» на ЧП Макаренко кафе-бар «У охотника (приложение 4).
В результате проведенных научных исследований разработаны новые рецептуры пектиносодержащих соусов, обладающих повышенной пищевой и биологической ценностью и рекомендуемых для профилактического питания. Предполагаемый экономический эффект от внедрения их в производство определяли на основании разности стоимости соуса промышленного производства и соуса, разработанного нами.
Оценку экономической целесообразности разработок проводили, используя соус «Пикантный» (без наполнителей). В качестве эталона выбрали соус майонез «Провансаль».
Расчеты затрат на сырье при производстве 1 кг соуса «Пикантный» и 1 кг соуса майонез «Провансаль» приведены в таблице 31 и 32 соответственно.
Произведенные расчеты показали, что затраты на сырье при производстве 1 кг соуса «Пикантный» составляют 18,18 руб., а соуса майонез «Провансаль» - 21,88 руб. Таким образом, предполагаемый экономический эффект при реализации 1 кг соуса «Пикантный» (без наполнителей) составит 3,7 руб.
Промышленное освоение новых рецептур и технологий помимо социальной необходимости позволит получить прибыль около 3,7 тыс. руб. на одну тонну готовой продукции за счет рационального комплексного использования сырья.
