Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 9
1.1 Химический состав и характеристика компонентов зернового сырья 9
1.2 Строение и пищевая ценность пищевых волокон 18
1.3 Технологические и структурные свойства крахмала 22
1.4 Асссортимент и способы производства традицонных напитков вязкой консистенции 30
1.5 Заключение по обзору литературы 32
ГЛАВА 2 Методология проведения эксперимента 34
2.1 Организация работы и этапы эксперимента 34
2.2 Объекты и методы исследований 36
ГЛАВА 3 Разработка методических основ технологии безалкогольных напитков вязкой консистенции 38
3.1 Обоснование методологиии и ассортимента безалкогольных напитков с вязкой консистенцией 38
3.2 Анализ торгового предложения киселей на примере г. Кемерово 47
ГЛАВА 4 Разработка технологии безалкогольных напитков на основе крахмала 55
4.1 Разработка рецептур напитков и параметров производства на основе крахмала 55
4.2 Определение нормируемых показателей качества и производственная оценка технологии напитков типа киселей 66
ГЛАВА 5 Разработка технологии безалкогольных напитков вязкой консистенции на основе зернового сырья 84
5.1 Анализ факторов определяющих качество зерновых отваров и напитков на их основе... 86
5.2 Определение нормируемых показателей качества и разработка промышленной технологии напитков типа киселей на основе овсяной муки 103
5.3 Получение напитков с использованием овсяной муки фракционированного сверхтонкого помола 108
Выводы и рекомендации 113
Список использованных литературных источников 115
- Строение и пищевая ценность пищевых волокон
- Объекты и методы исследований
- Анализ торгового предложения киселей на примере г. Кемерово
- Определение нормируемых показателей качества и производственная оценка технологии напитков типа киселей
Строение и пищевая ценность пищевых волокон
Гемицеллюлоза - это собирательное название гетерогенной группы, объединяющей разветвленные полисахариды матрикса. Эти полисахариды способны нековалентно, но весьма прочно, связываться с поверхностью целлюлозных микрофибрилл, а также между собой; они формируют вокруг каждой микрофибриллы своего рода оболочку и с помощью водородных связей сшивают их друг с другом в сложную сеть. Известно много различных гемицеллюлоз, однако все они имеют сходное строение: молекула представляет собой длинную осевую цепь из сахарных остатков одного типа, соединенных Р-1-4 связями, от которой отходят боковые цепи, образованные сахарами других типов. Сахарные остатки в гемицеллюлозах разного типа различны. Водородные связи с внешней поверхностью целлюлозных микрофибрилл образуют сахара осевой цепи. Растительные клетки синтезируют весьма разнообразные наборы гемицеллюлоз, в зависимости от вида растения и стадии его развития. Гемицеллюлоза гидролизуется кислотами легче, чем клетчатка. Имеющиеся в составе гемицеллюлозы пентозаны при гидролизе образуют ксилозу и арабинозу, а гексозаны, при гидролизе которых, образуются галактоза, глюкоза, фруктоза и манноза [49-51]. Третий из наиболее важных полисахаридных компонентов клеточной стенки - пектины. Пектины - гетерогенная группа, к которой относятся разветвленные сильно гидратированные полимеры, включающие в свой состав множество отрицательно заряженных остатков галактуроновой кислоты. Пектины эффективно связывают катионы, благодаря своему отрицательному заряду. Если к раствору, содержащему молекулы пектина, добавить ионы Са2+, эти ионы сшивают их, что приводит к желатинизации раствора. Имеются данные о том, что такого рода кальциевые сшивки играют определенную роль в объединении компонентов клеточной стенки, однако полного представления о связях, выполняющих такую функцию нет. Особенно богата пектинами срединная пластинка, расположенная между стенками двух соседних клеток и обеспечивающая их сцепление. Это тот самый слой, в котором формируются межклеточные воздушные полости, типичные для большинства растительных тканей [67, 70].
Лигнин - природный полимер нерегулярного сетчатого или трехмерного строения, ковалентно связан в растительном сырье с гемицеллюлозами, пектиновыми веществами, белком. Молекулы лигнина построены из остатков фенилпропана, в связи с чем его относят к полимерным формам полифенолов. В состав лигнина входят различные функциональные группы: альдегидные, карбоксильные, фенольные, спиртовые гидроксилы. Лигнин мало растворим в воде, органических растворителях, лучше растворяется после тонкого измельчения, в относительно больших количествах обнаружен в злаках, овощах, плодах. Лигнин может вступать в реакции с белками, полисахаридами, обладает сорбционными свойствами [57, 58,7 9].
Благодаря своему сложному и неоднородному строению пищевые волокна обладают рядом физико-химических свойств, а именно: влагоудерживающей способностью, взаимодействием с ферментами, белками, гормонами, аминокислотами, пептидами, жирными и другими кислотами в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте человека. Вид этих взаимодействий определяет состав и строение пищевых волокон, вид и плотность межмолекулярной упаковки, количество аморфных и кристаллических участков волокон. Далее будут более подробно рассмотрены положительные свойства пищевых волокон на организм [1, 3, 8].
Пищевые волокна, за счет влагоудерживающей способности, обладают эффектом обволакивания стенок кишечника, тем самым вызывая у человека чувство сытости, что препятствует перееданию. Нормализуют время прохождения пищи через желудочный тракт человека. Повышенное время прохождения пищи в кишечнике приводит к более длительному нахождению канцерогенных веществ внутри организма. У людей, имеющих ненормально быстрое время прохождения, пищевые волокна способствуют его замедлению. Таким образом, пищевые волокна, способствуют регуляции работы кишечника [10, 11].
Пищевые волокна замедляют время опорожнения желудка. В результате пища постепенно переходит в малую кишку и соответственно уровень глюкозы в крови повышается постепенно. Благодаря клетчатке также повышается секреция и активность ферментов поджелудочной железы [11].
Благодаря наличию карбоксильных групп гемицеллюлоз и пектиновых веществ и фенольных гидроксилов лигнина пищевые волокна обладают ионообменными свойствами. В результате чего они оказывают влияние на минеральный обмен в организме человека. Пищевые волокна способны связывать тяжелые металлы, нитриты, нитраты, аммиак, радионуклиды, фенолы, формальдегид, карбамид [32]. Клетчатка и сопутствующие ей некрахмальные полисахариды как компонент не наносят вреда минералам в продуктах, но все же высокое содержание волокон в пище может привести к отрицательному балансу некоторых незаменимых микроэлементов и снизить всасывание ряда водорастворимых витаминов [30, 31].
Ферментация пищевых волокон кишечной микрофлорой производит три конечных продукта: короткоцепочные жирные кислоты, газы и энергию. Эти кислоты имеют множество физиологических функций. Пропионовая кислота транспортируется в печень и используется для выработки энергии. Масляная кислота выступает источником энергии для обмена веществ в толстой кишке. Было установлено, что масляная кислота выполняет значительную противораковую защиту. Оказывается, что некоторые виды волокон могут быть эффективнее других в повышении уровня жирных кислот в толстой кишке. Пектины, камеди и другие волокна бобовых культур, вырабатывают большее количество короткоцепочных жирных кислот, чем волокна присутствующие в злаковых культурах [66].
Пищевые волокна улучшают все аспекты функционирования кишечника. Важной является роль, которую они играют для поддержания надлежащей микрофлоры в кишечнике. Диета, насыщенная клетчаткой способствует росту «дружественных» бактерий посредством увеличения синтеза короткоцепочных жирных кислот, которые смещают уровень рН толстой кишки в кислую сторону. Еще одним аспектом улучшения функционирования кишечника является высокая способность адсорбировать условно-патогенные микроорганизмы. При бактериальной нагрузке на 1 г пищевых волокон, равной сотням тысяч микроорганизмов, уровень адсорбции St. aureus - 37,6 - 57,2 %, Е. coli составил 40,8 - 42,4 %, Ps. fluoresce - 42,2 - 71,3 % [66].
Объекты и методы исследований
Термин «классификация» означает разделение множества объектов на подмножества по сходству или различию. В данном случае под элементом «сходства» всего множества БНВК понимается функциональная направленность данной категории напитков. Элемент «различия» обусловлен главным образом способом получения экстрактивных компонентов, обусловливающих текстуру готового продукта.
Группировки подмножества имеют разные признаки, что и определяет их различие внутри группы (множества). Определение признаков базируется на целевом назначении классификации. Применимо к решаемой в настоящих исследованиях задаче, целевым назначением предлагаемой классификации является создание методологической основы для разработки технологий безалкогольных напитков вязкой консистенции.
Признаки классификации подразделяются на телеологические, генетические и технологические. Телеологические признаки характеризуют назначение и применение, генетические - исходные материалы, сырье, основные компоненты химического состава, технологические - конструкция, процессы производства, способы отделки или оформления [68].
Первая ступень предлагаемой классификации представляет собой деление множества БНВК по следующим признакам: технологический аспект, аккумулирующий генетический и технологический признаки классификации; рецептурный аспект - телеологический признак.
Детализация классификационных признаков на следующей ступени подразумевает свойства БНВК, которые позволяют выделить элементы подмножества за счет использования производственных особенностей технологической линии. Так, генетический признак данной классификации -способ извлечения экстрактивных веществ, обуславливающих текстуру напитка -позволяет обозначить основные компоненты химического состава напитка, создание которого возможно двумя принципиально разными способами. А именно, путем биохимического воздействия (ферментативного гидролиза биополимеров сырья) и напитки, для которых не требуется биохимическое воздействие. К последним относится группа «кисели», где в рецептуре имеется готовое сырье - зерновой или картофельный крахмал.
Технологические признаки - вид технологии, наличие и вид механического воздействия на сырье - обозначают особенности производственных процессов приготовления напитков.
Рецептурный аспект предлагается в качестве телеологического признака классификации. Данный признак характеризует функциональную направленность всего множества БНВК. При этом придание данной категории напитков статус «функциональных» возможен двумя путями - внесением Б АД извне и за счет специальной механической обработки зернового сырья.
Анализ значения признаков классификации способствует решению производственных вопросов, связных с разработкой технологии определенного вида БНВК.
При анализе телеологического признака данной классификации, а именно способа придания функциональной направленности продукту, обозначаются очень важные элементы подмножества - зерновые напитки, полученные с использованием сверхтонкого помола зерна. За счет использования специальной механической обработки зернового сырья, позволяющей сформировать определенный фракционный состав измельченного сырья, появляется возможность расширения ассортимента данной категории напитков: зерновые напитки вязкой консистенции, обогащенные крахмалом; зерновые напитки вязкой консистенции, обогащенные пищевыми волокнами; зерновые напитки вязкой консистенции, обогащенные и крахмалом и пищевыми волокнами.
Анализ генетического и технологического признаков данной классификации в совокупности с анализом состояния имеющегося производства служит отправной точкой для разработки новой технологии. Производитель принимает обоснованное решение о целесообразности усовершенствования традиционной технологии путем установки нового оборудования (для измельчения зернового сырья) при условии, что возникла необходимость расширения ассортимента выпускаемой продукции и создания более конкурентоспособной деятельности предприятия. При этом наличие специального оборудования для измельчения зернового сырья исключает необходимость дополнительного приобретения пищевых волокон. В этом случае реализуется еще и экономическая составляющая вновь разрабатываемой технологии.
Таким образом, предлагаемая классификация может служить методической основой для разработки технологий безалкогольных напитков вязкой консистенции.
Для обоснования целесообразности разработки напитков этой группы проведен анализ торгового предложения киселей на примере г. Кемерово, результаты которого приведены в следующем разделе.
В настоящее время, кисели, предлагаемые на рынке, можно разделить на несколько групп: сухие быстрозавариваемые кисели, сухие насыпные кисели, требующие варки, сухие брикетированные кисели, бутилированные кисели готовые к употреблению и готовые напитки на основе зернового сырья. Основные производители, форма выпуска и состав киселей представлены в таблице 3.2.
Следует отметить, что на упаковках некоторых киселей даны сведения о добавлении в состав продукта витаминов. Однако все сухие кисели проходят стадию кулинарной обработки, при которой подвергаются воздействию высокой температуры. А как следствие, витамины разрушаются и сведения на упаковке, говорящие о витаминизации продукта являются сомнительными. Иначе дело обстоит с бутилированными киселями.
Анализ торгового предложения киселей на примере г. Кемерово
Желаемая консистенция киселя достигается путем создания, в качестве основы напитка раствора крахмала определенной концентрации. Крахмалы, полученные из различного вида сырья и подвергнутые модификации, дают растворы различной вязкости. Экспериментальные растворы оклейстеризованного крахмала были приготовлены из картофельного крахмала производства ООО «Трапеза» Новосибирская область, п. Элитный; кукурузного модифицированного крахмала марки 06748, производства Голландия; кукурузного нативного крахмала производства ООО «ПЕЦ-ХААС» Московская область, г. Коломна. Концентрация крахмала в модельных растворах составляла от 1 до 4 % (с учетом влажности крахмала).
Вязкость растворов крахмала разной концентрации Из представленных данных видно, вязкость оклейстеризованного раствора во многом определяется видом крахмала, из которого он был приготовлен. Разваривание нативного картофельного крахмала приводит к образованию наиболее вязких растворов, относительно нативного и модифицированного кукурузного крахмалов. По органолептической характеристике для получения крахмальной основы для напитков выбран раствор картофельного крахмала 3 %-ной концентрации.
Известно, что растворы крахмала представляют нестабильную систему. Со временем происходит уплотнение пространственной сетки полимера, с выделением из нее связанной воды, в результате чего происходит расслоение раствора. На молекулярном уровне происходит сближение цепочек полимера на слишком короткое расстояние, что приводит к выдавливанию исходно связанной воды из пространственной структуры гидроколлоида. Следующим этапом исследований стало определение динамики и глубины расслоения 3 %-ных растворов различных крахмалов. Степень расслоения Ср определяли как отношение объема осветленной жидкости Уож к общему объему жидкости V0. Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.2.
В результате органолептической оценки установили, что оклейстеризованный раствор, приготовленный из кукурузного нативного крахмала, имеет ярко выраженный запах вареной кукурузы и неприятный желтый тон. В то время как картофельный клейстер имеет едва уловимый запах, что не повлияет негативно на вкусовой профиль будущего напитка. Визуально он представляет собой слабо опалесцирующий раствор с беловатым оттенком. Модифицированный кукурузный крахмал образует почти прозрачный раствор, практически без запаха, но с низким показателем вязкости. Учитывая полученные данные, в качестве основы для бутилированного киселя более целесообразно использовать картофельный нативный крахмал как более вязкий, дешевый, не имеющий дефектов, более стойкий к расслоению. Модельные растворы, приготовленные с содержанием крахмала 2-3 %, вызывают наиболее приятные тактильные ощущения. Таким образом, указанная концентрация является оптимальной для приготовления кисельной основы.
Следующий этап исследований был посвящен подбору дозировки сахара и вкусоароматического сырья. Компонентом определяющим вкус и аромат напитка стали концентрированные соки вишни, малины, брусники, черной смородины, производства ООО «Меркурий», Орловская область.
Определение дозировки сахара и концентрированных соков производилось методом подбора на основе органолептической оценки. Рекомендуемая дозировка концентрированного вишневого сока составила 3 %; малинового сока 3 %; брусничного сока 2,8 %; черносмородинового сока 3,1 %; сока черноплодной рябины 3,3 %, красного винограда 3,4%. Подобное расхождение в дозировке объясняется более выраженным природным вкусом тех или иных ягод. Наиболее подходящая дозировка сахара для киселя со вкусом вишни составила 11%; для киселя со вкусом малины 9,5 %; для киселя со вкусом брусники 11,5 %; для киселей со вкусами черной смородины и черноплодной рябины 12 %. Также необходимо учитывать, что добавление к раствору крахмала сахара и вкусоароматического сырья изменяет плотность и рН системы, что способствует изменению показателя вязкости и степени расслоения. Органические кислоты могут разрушать естественно образующие водородные связи полимера. Такое действие приводит к изменению строения пространственной сетки полимера и способствует снижению вязкости. В тоже время, введение сахара в коллоидную систему раствора, увеличивает его плотность, что способствует повышению вязкости. Изменение вязкости крахмального клейстера, за счет введения в него дополнительных компонентов представлено в таблице. Контролем служили 2-х и 3-х %-ные растворы оклейстеризованного картофельного крахмала (таблица 4.1).
Из представленных данных видно, что внесение в коллоидную систему сахара и концентрированных соков незначительно увеличивает показатель вязкости раствора крахмала. В данном случае большее влияние на этот показатель оказывает внесение сахара, так как концентрированные соки, как правило, выпускаются обеспектиненные во избежание образования осадков при концентрировании выпариванием.
Увеличение вязкости киселя влечет за собой изменения в динамике и глубине расслоения готового напитка. Результаты определения динамики и глубины расслоения после добавления вкусоароматического сырья представлены на рисунках 4.3 и 4.4.. Исследования проводились на примере малинового и брусничного киселя. Эти образцы обладают наименьшим и наибольшим показателем вязкости. Контролем служил 2 % и 3 %-ный оклейстеризованный раствор нативного картофельного крахмала. s I о
Определение нормируемых показателей качества и производственная оценка технологии напитков типа киселей
Зерновые продукты относятся к основным, ежедневно потребляемым всеми слоями и всеми возрастными группами населения, поэтому являются подходящими источниками физиологически значимых компонентов.
Основным компонентом для приготовления безалкогольного напитка вязкой консистенции на основе зернового сырья являются традиционные злаковые культуры, произрастающие на территории нашей страны - рожь, пшеница, ячмень, овес. Зерновые продукты относятся к основным, ежедневно потребляемым всеми слоями и всеми возрастными группами населения. Химический состав зернового сырья обуславливает питательные свойства конечного продукта. Зерновые содержат практически все питательные вещества необходимые для нормального функционирования различных систем организма. Химический состав традиционных зерновых культур приведен в таблице 5.1
Белки зерновых оказывают положительное влияние на здоровье волос, ногтей, кожи, участвуют в построении мышечной ткани, связок и других структур организма. Зерновые являются источниками аминокислот, которые являются исходным материалом для синтеза белков в организме. Белки функционируют как энзимы, гормоны и важные составляющие клеток, например, гены.
Крахмал является хорошим источником энергии. Крахмал обладает рядом свойств, благотворно влияющих на организм. Придавая вязкую консистенцию зерновому киселю, он обволакивает стенки кишечника, препятствуя перееданию. Крахмал зерновых является медленно усваиваемым, что обуславливает медленное повышение уровня сахара в крови.
Учитывая приведенные выше факты, можно сделать вывод, что напиток основным компонентом, которого выступает зерновое сырье, будет обладать полезными физиологическими свойствами.
В настоящее время в структуре питания жителей России выявлен дефицит в потреблении пищевых волокон. Учитывая этот факт, исследования по созданию безалкогольного зернового напитка проводились на примере овса, поскольку овес, в сравнении с другими злаками, содержит наибольшее количество веществ, относимых к пищевым волокнам. Количество пищевых волокон в овсе составляет 11-12%.
Овес является неприхотливой зерновой культурой, полностью использует потенциал климатических условий, дает высокую урожайность, не требуя при этом применения пестицидов и удобрений, в итоге получается экологически чистая продукция. Он распространен во всех областях России и занимает третье место по урожайности, уступая пшенице и ячменю.
Овес выращивается в основном как фуражная культура. Из него получают мюсли, хлопья, крупу, толокно, продукты для питания детей и комбикорма для животных. Выращивают овес в лесной зоне и в лесостепной зоне европейской части России. Основные экономические районы выращивания овса: Уральский, Поволжский, Центрально-Черноземный, Волго-Вятский, Западно-Сибирский и Восточно-Сибирский, Дальневосточный. Россия по выращиванию и сбору овса занимает первое место в мире.
Таким образом, использование овса, как сырья для производства напитка обосновано двумя факторами: экономическим и биологическим. Под последним понимается химический состав злака, а именно высокое содержание пищевых волокон, оптимальным аминокислотным составом. Под экономическим фактором понимается доступность и невысокая стоимость овса. Анализ рынка, позволяет сделать вывод, что разработка технологии и производство зерновых напитков является актуальной задачей, позволяющей создать вкусный, конкурентоспособный, а главное полезный продукт, со значительно более низкой стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.
Производство натуральных напитков надлежащего качества, представляет собой достаточно сложную технологию. При этом качество напитков формируется на всех этапах его производства и в первую очередь зависит от качества исходного сырья, именно на этапе контроля качества сырья возможно первостепенное воздействие на процесс формирования качества готового изделия. Поэтому на данном этапе эксперимента оценили качество овса по основным физико-химическим показателям. Результаты эксперимента приведены в таблице 5.2.
На основании данных таблицы можно сделать вывод о том, что исследуемый овес подходит для производства зерновых напитков, так как содержание белка в овсе составляет 14,1%, это способствует обогащению зернового напитка незаменимыми аминокислотами, которые направлены на удовлетворение физиологической потребности организма в белках. Содержание крахмала составляет 57,0 % . При гидролизе крахмала в напиток будут переходить сахара, декстрины и прочие продукты гидролиза. Кроме того, напиток будет обогащаться водорастворимыми некрахмальными полисахаридами, которые оказывают положительное действие на организм человека.
Внешний вид зерновой культуры был свойственный нормальному зерну, без посторонних включений и запаху свойственной здоровому зерну. Зараженность зерновой культуры, идущей на производства пищевых продуктов, не допускается. Используемое в работе зерно по основным физико-химическим и органолептическим показателям соответствует требованиям нормативно-технической документации на него и может быть использовано в производстве продуктов питания, в т.ч. напитков.
Качество помола муки вырабатываемой из овса также будет оказывать влияние на качество получаемого напитка. На данном этапе производства исследовали образцы муки традиционного помола производства «Гарнец» и сверхтонкого помола, полученные на ООО «Сфера», г. Томск на аппарате ротационного типа.
Принципиальное отличие образцов состоит в размере частиц, при сверхтонком измельчении зерновой культуры частицы имеют размер от 10 до 100 мкм, оболочки измельчаются полностью, что видно на рисунке 5.1, полученном микроскопированием при увеличении в 200 раз.
