Введение к работе
Актуальность проблемы. Качество питания сегодня рассматривается как фактор национальной безопасности, поэтому товароведная оценка растительного сырья продуктов питания, определение химического состава, строения и структуры является актуальной задачей. Товароведение как наука непрерывно развивается, что выражается, в частности, в появлении новых, научно обоснованных товароведных показателей, количественно характеризующих свойства сырья и продовольственных товаров. Особое место при этом занимает оценка содержания и комплексообразования белков, так как белки являются важнейшим фактором пищевой ценности продуктов питания.
Растительные белки являются составной частью многих продовольственных товаров. Поэтому установление еще одного количественного товароведного показателя растительных белков – молекулярной массы, наряду с их аминокислотным составом, содержанием витаминов, минеральных веществ и т.д., является весьма актуальной задачей.
В настоящее время важным и эффективным способом определения молекулярных масс (ММ) белков является метод гель-хроматографии. Он отличается рядом полезных характеристик: независимостью от рН, температуры, сохранением нативных состава и структуры биополимеров. Метод существует в двух вариантах – колоночном и тонкослойном.
Более широко применяется первый вариант (колоночная гель-хроматография), но он имеет ряд недостатков: использование больших количеств анализируемого вещества, сравнительно дорогих материалов и длительность аналитического процесса. Тонкослойная гель-хроматография (ТСГХ) более чувствительна, требует минимального количества реагентов (граммы, микрограммы), аналитический процесс осуществляется в течение нескольких часов. Процедура анализа своеобразна, отличается и от техники колоночной гель-хроматографии и от техники обычной ТСХ.
В мировой литературе имеются ссылки на работы в области исследования белков злаков с использованием колоночной ГПХ. Сравнительно небольшой опыт применения ТСГХ для целей гистохимии и биохимии (иммунно-ферментный анализ) освещен в работах Г. Детермана, В. Иоханссона. В нашей стране известны работы Б. Беленького в области тонкослойной гель-хроматографии полимеров. ТСГХ преимущественно занимались медики, что, вследствие игнорирования ими профессионального химико-аналитического подхода, ограничивало возможности всестороннего развития этого гибкого и многообещающего метода. В других отраслях метод, к сожалению, не получил достаточного развития и применения, и почти совсем не использовался в химическом зерноведении и физико-химии зерна, хотя с точки зрения информации, ТСГХ является чрезвычайно привлекательным методом оценки, так как позволяет проводить всесторонние исследования.
Настоящая работа посвящена актуальным вопросам товароведного и аналитического исследования растительных белков в связи с проблемами их качества, технологии промышленной переработки и использованием в соответствующих отраслях пищевой промышленности.
Цель исследования заключалась в разработке научных и практических аспектов товароведной оценки качества растительного сырья на основе нового объективного товароведного показателя качества с применением модифицированного метода гель-хроматографии в тонком слое.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
- разработать методологию определения молекулярной массы растительных белков как объективного товароведного показателя их качества;
- разработать модель модифицированного процесса ТСГХ, изучить массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков с учетом особенностей диффузионно-сорбционной кинетики, структуры сорбента, угла наклона, скорости подвижной фазы (ПФ), времени эксперимента;
разработать методологию и алгоритм модифицированного метода ТСГХ, адаптированного к товароведной оценке качества растительных белков;
изучить особенности процесса ТСГХ, оценить достоинства модифицированного метода по показателям разрешающей способности, диапазону разделения низкомолекулярных и высокомолекулярных белков и относительной молекулярной массы (ММ), и оптимизировать условия товароведной оценки растительных белков;
обосновать и разработать объективный товароведный критерий количественного анализа качества растительных белков;
изучить возможность применения модифицированного метода ТСГХ в технологии получения лейкозина из муки зародышей пшеницы (МЗП);
обосновать целесообразность использования объективного товароведного показателя качества – ММ растительных белков в технологиях пивоварения;
оценить возможность использования белков, полученных из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ, в технологиях эмульсионных продуктов;
разработать нормативную документацию с учетом разработанного нового объективного товароведного показателя качества растительных белков и провести промышленную апробацию модифицированного метода и соответствующих технологий;
Научная концепция исследования заключается в совершенствовании методологии системного подхода к товароведной оценке качества растительного сырья с применением нового интегрального показателя на базе модифицированного метода ТСГХ.
Научная новизна. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:
- предложен новый объективный товароведный показатель качества растительных белков – молекулярная масса и разработана методология определения этого показателя методом ТСГХ в модификации автора;
- разработана математическая модель процесса ТСГХ, изучен массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков в процессе ТСГХ.
- обоснованы закономерности формирования хроматографических зон (ХЗ) в процессе ТСГХ на примере полиэтиленгликолей (ПЭГ);
- выявлены особенности метода ТСГХ как гидравлической системы и установлен параметр оптимизации скоростных режимов для конкретной модели потока – угол наклона камеры;
- обоснованы условия формирования ХЗ для растительных белков в зависимости от диффузионно-сорбционной кинетики процесса и осуществлена их классификация;
- изучен механизм конформационных преобразований и установлено их влияние на фазовые переходы типа “глобула-клубок” в молекуле растительного белка при использовании модифицированного метода ТСГХ;
- разработан оригинальный методологический подход к определению состава растительных белков, который заключается в оптимизации условий анализа низкомолекулярных и высокомолекулярных фракций с применением модифицированного метода ТСГХ;
- определена функциональная зависимость количественных соотношений белковых фракций в зависимости от значения рН подвижной фазы элюента и сортовых особенностей растительного сырья;
- установлены закономерности распределения белковых фракций (низко- и высокомолекулярных) по классификационному признаку в зависимости от вида сырья и его качества;
- изучена возможность применения метода ТСГХ в прикладных биотехнологиях для определения качества растительного сырья и продуктов на его основе, в частности, при производстве пива, майонеза и ванильного десерта.
Практическая значимость.
- разработан новый объективный товароведный показатель качества растительных белков – молекулярная масса, который внесен в качестве основного критерия в нормативную документацию – ТУ-9143-022-56529037-13 и может служить достоверным критерием при определении степени фальсификации растительного сырья и продуктов его переработки;
- предложен оригинальный методологический подход, методика инструментального обеспечения для оценки качества белковых фракций растительного сырья на основе модифицированного автором метода ТСГХ, которая применяется в учебном процессе в виде методических указаний при подготовки специалистов и магистров, а также в таможенной практике при определении возможной фальсификации зернопродуктов;
- установлена возможность аналитической оценки белкового и клейковинного комплексов пшениц, прогностической оценки качества зерна и муки по составу образующих ее белков, позволяющей контролировать качество и уровень фальсификации исходного сырья и конечного продукта на предприятиях пищевой промышленности (Акт апробации результатов диссертационного исследования от 16.02.2006 г. прилагается);
- разработанный модифицированный метод ТСГХ используется для анализа высокомолекулярных фракций гордеина и глютелина ячменя, определяющих качество пивоваренной продукции, взамен традиционно используемого электрофоретического метода в совокупности с колоночной ГПХ (Акт промышленной апробации от 23.11.2005 г.);
- по результатам исследований определена функциональная зависимость количества определяемых фракций в отношении рН и установлены сортовые различия в составах белковых комплексов пшениц и ячменей, что позволяет моделировать и адаптивно управлять технологическим процессом производства пива в зависимости от белкового состава, что повышает экономическую эффективность процесса пивоварения и улучшает органолептические показатели готовой продукции (Акт апробации на ОАО «Останкинский пивоваренный завод»);
- получен эффект устойчивого пенообразования и стабильности пивной пены при использовании смеси лейкозина ячменного зерна и лейкозина солода, полученных с помощью модифицированного метода ТСГХ (Патент РФ 2470992);
- разработаны рецептуры и технологии новых пищевых продуктов на основе лейкозина – белка муки зародышей пшеницы с оптимальным соотношением рецептурных компонентов: способ производства десерта в виде соуса ванильного сладкого (Заявка № 2012150239; положительное решение от 25.12.2012), выпущена опытная партия продукта (Акт апробации о выпуске ванильного десерта от 12.04.2013); майонез «Белковый» и способ его получения (Заявка № 2013118572; положительное решение от 14.06.2013), разработано ТУ-9143-022-56529037-13 на майонез «Белковый». Разработана технологическая инструкция (ТИ) по выпуску данной партии майонеза. Согласно ТУ и ТИ осуществлено промышленное производство майонеза (Акт о выпуске промышленной партии майонеза «Белковый» от 28.08.2013 г. прилагается). Результаты промышленной апробации показали повышенную стойкость при хранении нового продукта по сравнению с майонезом «Провансаль», которая обусловлена снижением доли яичного порошка, являющегося питательной средой для развития микроорганизмов, отсутствием расслоения эмульсии, улучшением органолептических показателей и упрощением технологического процесса в целом.
- результаты теоретических и экспериментальных исследований были успешно апробированы в производственных условиях для оценки и контроля качества исходного сырья и готовой продукции, отслеживания динамики качественных показателей в процессе хранения и оптимизации технологических процессов в ОАО «Останкинский пивоваренный завод», ОАО «Истра-Хлебопродукт», ОАО «Вязьминский мелькомбинат», мельзавод № 2, мелькомбинат № 4, Комбинат питания МГТУ им. Баумана научно-производственная фирма НПКФ «ДекосТ», (Акты промышленных испытаний прилагаются).
Личный вклад соискателя. Личное участие автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в формировании научных направлений, постановке задач и целей исследования, организации эксперимента, анализе и обработке результатов, подготовке материалов к опубликованию, проведению производственных испытаний. Личный вклад автора состоял в анализе международного опыта; выявлении проблемных вопросов и путей их решения; разработке структуры и схемы проведения исследований, организации, проведении и обобщении результатов теоретических исследований, анализе полученных экспериментальных результатов; автором разработана концепция совершенствования методологии системного подхода к товароведной оценке качества растительного сырья, применен функционально-логический подход к оценке взаимозависимостей множества факторов, объединенных единой целью – обеспечить качество исходного сырья и продуктов на основе его переработки, предложены критерии, позволяющие контролировать степень фальсификации растительного сырья; при разработке патентных решений по оптимизации проблемных этапов качества пищевых продуктов автором определены направления научно-технических исследований и способы достижения положительных эффектов, разработан новый объективный показатель качества растительных белков – молекулярная масса, который внесен в качестве основного критерия в нормативную документацию.
Основные положения, выносимые на защиту:
методология товароведной оценки качества растительного сырья с применением нового интегрального показателя – молекулярной массы и объективного метода ТСГХ в модификации автора;
физико-химические закономерности анализа качества растительных белков с применением ТСГХ;
алгоритм химико-аналитического сопровождения концепции обеспечения товароведной оценки качества и безопасности пищевых продуктов в условиях современного производства;
- технологические решения, позволяющие моделировать и адаптивно управлять технологически процессом производства пищевых продуктов в зависимости от белкового состава используемого сырья.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных симпозиумах, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, семинарах и школах: Всесоюзной конференции “Применение хроматографии в пищевой, микробиологической и медицинской промышленности” (Геленджик, 1990), Всесоюзной конференции по аналитической химии органических веществ (Москва, 1991), Российском семинаре “Аналитические методы контроля пищевых продуктов” (Москва, 1991), Международной конференции по хроматографии (С.-Петербург,1992), Московском семинаре по аналитической химии (Москва, 1995), 2-ом Международном симпозиуме “Хроматография и спектроскопия в анализе объектов окружающей среды и токсикологии” – ISCSE “96 (С.-Петербург, 1996), Российском научно-производственном семинаре “Современное состояние теории и практическое применение метода ТСХ” (Москва, 1996), Международном симпозиуме “Инструментальная аналитическая химия и компьютерные технологии”, Incom”97 (Дюссельдорф, 1997), Всероссийской конференции молодых ученых “Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии” (Саратов, 1997), Международной научно-технической конференции “Приоритетные технологии в пищевой промышленности (Москва, 1998), Международной конференции “Будущее за новыми технологиями” (Мелеуз, 1999), 5-ой Международной научно-практической конференции “Современные проблемы в пищевой промышленности” (Москва, 1999), Российском научном семинаре “Современные проблемы планарной хроматографии “ (Москва, 2000), на VIII Всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии и капиллярному электрофорезу (Москва, 2001), на Всероссийском симпозиуме “Современные проблемы хроматографии” (Москва, 2002), на VIII Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы в развитии пищевой промышленности и стандартизации пищевых продуктов” (Москва,2002), на IХ Международной научно-практической конференции “Стратегия развития пищевой промышленности” (Москва, 2003), на Международном симпозиуме “100 лет хроматографии”, “SBS 03”, (Москва, 2003), на Всероссийском симпозиуме “Хроматография и хроматографические приборы” (Москва, 2004), на Всероссийской конференции “Аналитика России” (Москва, 2004), на Международной конференции «Физико-химические основы новейших технологий ХХI века» (Москва,2005), на Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (Москва,2006), на Всероссийском симпозиуме «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях» (Москва, 2007), на Всероссийской конференции «Химический анализ» (Москва, 2008), на ХIХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград,2011), на III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар,2011), на Всероссийском симпозиуме «Кинетика обменных процессов», (Краснодар,2012), на I-Ш Международных межвузовских конференциях «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания», (Москва, 2010-2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 130 научных работ, в том числе 3 монографии, 69 статей, в том числе 29 статей из списка, рекомендованного ВАК. По материалам диссертации получено три патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения (литературный обзор), восьми глав, заключения, выводов, списка литературы (337 источников, в том числе 132 иностранных) и приложений. Работа изложена на 343 страницах, содержит 100 рисунков и 73 таблицы.
