Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор 10
1.1 Тенденции создания обогащенных продуктов питания 10
1.2 Анализ факторов, обусловливающих физиологическую активность микронутриентов в обогащенных продуктах 21
1.3 Современные технологии инкапсуляции микронутриентов 37
2 Методическая часть 50
2.1 Методы исследования физико-химических показателей используемого сырья 50
2.2 Методы исследования микроэмульсий 51
2.3 Методы исследования витаминно-минеральных премиксов 52
2.4 Оценка показателей безопасности 54
3 Экспериментальная часть 57
3.1 Характеристика объектов исследования 57
3.1.1 Обоснование выбора инкапсулирующего агента 57
3.1.2 Сравнительное изучение показателей качества лецитинов 64
3.1.3 Исследование влияния лецитинов на характеристики образуемых ими микроэмульсий
3.2 Разработка способа получения микроэмульсий, образованных подсолнечным фракционированным лецитином 73
3.3 Исследование инкапсулирующей емкости и стабильности микроэмульсий, образованных подсолнечным фракционированным лецитином 78
3.4 Разработка способа повышения степени инкапсуляции гидрофильного и липофильного компонентов 82
3.5 Выбор и обоснование носителя для получения микроэмуль сий в порошкообразной форме 87
3.6 Разработка рецептур витаминно-минеральных премиксов 89 96
4 Разработка технологии получения витаминно-минеральных пре миксов в инкапсулированном виде
5 Выработка опытных партий и оценка потребительских свойств витаминно-минеральных премиксов 100
Выводы 109
Список использованных источников 112
Приложения
- Анализ факторов, обусловливающих физиологическую активность микронутриентов в обогащенных продуктах
- Современные технологии инкапсуляции микронутриентов
- Методы исследования витаминно-минеральных премиксов
- Разработка способа получения микроэмульсий, образованных подсолнечным фракционированным лецитином
Анализ факторов, обусловливающих физиологическую активность микронутриентов в обогащенных продуктах
В промышленно развитых странах вопросы пищевой ценности продуктов питания, их роли и воздействий на здоровье человека являются остро актуальными [4-7]. Современный имидж успешного человека неразрывно связан с представлениями о здоровом образе жизни, в котором весомая роль принадлежит рациону питания [2].
В последние годы среди социально активного населения развитых стран существенно возрос уровень желающих потреблять здоровую пищу. Под здоровой понимаются продукты питания, не содержащие вещества, считающиеся опасными или «вредными» с позиций современных представлений о физиологии человека и, напротив, содержащие физиологически ценные нутриенты [ 5].
В настоящее время понятие «безопасность пищевых продуктов» определяется как отсутствие токсического, канцерогенного, мутагенного или любого другого неблагоприятного воздействия пищевых продуктов на организм человека при употреблении их в общепринятых количествах [5, 8]. В соответствии с [9] безопасность пищевых продуктов гарантируется установлением и соблюдением регламентируемого уровня содержания загрязнителей химического, биологического и (или) природного происхождения (контаминантов и ксенобиотиков).
Между тем, в средствах массовой информации и специальной литературе продолжаются дебаты по вопросам степени вреда и пользы отдельных пищевых ингредиентов, таких, как глютен, лактоза, пищевая соль, сахар и сахарозаменители, витамины, антиоксиданты и другие.
Несмотря на то, что медики достаточно настороженно относятся к заявлениям о непереносимости или, напротив, об активном «оздорови тельном» влиянии тех или иных нутриентов, представления о диетотера 11 пии в последние годы дополнились понятиями о специализированных и функциональных пищевых продуктах, а также о функциональных пищевых ингредиентах [5, 10-15].
Специализированными называют продукты, состав которых изменен в соответствии с физиологическими потребностями отдельных групп людей, организм которых имеет индивидуальные особенности, в том числе связанные с наличием той или иной патологии [5]. Такие изменения могут касаться исключения из состава продуктов неблагоприятного ингредиента или дополнительное введение (обогащение) в состав продукта ингредиента, в котором организм нуждается. Так, например, для людей, страдающих целиакией из состава продуктов питания исключают глютен, для гипертоников, в продуктах ограничивают содержание хлорида натрия, при лактаз-ной недостаточности, из продуктов исключают лактозу и т.д. Примерами создания специализированных продуктов путем обогащения является дополнительное введение в состав продуктов, предназначенных для питания людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, растительных жиров с преобладанием в жирнокислотном составе жирных кислот групп -3 и -9 и лецитина; в продукты, предназначенные для людей с ожирением, пищевых волокон и фитостеринов ; в продукты для диабетиков – фруктозы и других сахарозаменителй и т.д. [16-21].
В отличие от специализированных, функциональные пищевые продукты предназначены для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми группами здорового населения [22, 23]. Согласно ГОСТ Р 52349 функциональные пищевые продукты должны сохранять и улучшать здоровье, в том числе снижать риск развития, связанных с питанием, заболеваний за счет наличия в их составе пищевых функциональных ингредиентов, содержание которых должно составлять от 10 до 50% от суточной потребности.
Под пищевыми функциональными ингредиентами понимают вещества, которые могут оказывать положительное физиологическое воздействие на организм человека, повышая его сопротивление неблагоприятным воздействиям окружающей среды [23, 24].
Несмотря на то, что у функциональных продуктов есть достаточно много приверженцев, о чем свидетельствует достаточно большое число публикаций, в том числе монографий, как в России, так и за рубежом [24-26], их полезность и целесообразность создания часто подвергаются критике.
Основным аргументом противников функциональных пищевых продуктов является тот факт, что организмы здоровых людей также имеют характерные отличия и соответственно потребности, которые определяются целым набором факторов: наследственностью, возрастом, образом жизни, экологической обстановкой и т.д. [10]. Кроме того, каждый человек имеет индивидуальные вкусовые предпочтения и в течение дня может потреблять самые разные продукты. В таких условиях становится весьма проблематичной возможность прогнозирования и тем более научное обоснование влияния того или иного ингредиента в составе продуктов питания на организм [6]. Предлагаемый выход – сбалансированное разнообразное питание, которое обеспечит потребности организма в энергии, белках, жирах витаминах и прочих макро- и микронутриентах.
Недостаток данного подхода, прежде всего, состоит в низкой пищевой плотности современных пищевых продуктов, присутствующих на потребительском рынке, прежде всего по количественному и качественному составу микронутриентов [27-29]. Данная проблема возникла, как следствие развития новых технологий глубокой технологической переработки сырья, его рафинации, а также средств и методов, направленных на повышение сохраняемости готовых продуктов и сокращения времени на приготовление пищи.
Современные технологии инкапсуляции микронутриентов
Как видно из представленных данных, зависимость между размерами частиц диспесной фазы и удельными энергозатратами различна для различных систем диспергирования и гомогенизации, что по-видимому определяется спецификой реализуемых методов физических и физико-химических воздействий.
Так, для систем статор-ротор важными критериальными значениями являются значения отношений между диаметром ротора и шириной зазора между статором и ротором.
Для ультразвуковых систем диаметры капель до 0,4m достигаются с намного более высокими затратами энергии. Для мембранных систем, напротив, обеспечение высокой степени дисперсности (средний диаметр капли 0,3m) достигается с наиболее низкими затратами энергии.
Однако, следует заметить, что обе указанные системы характеризуются достаточно низкой производительностью, что до настоящего времени ограничивало область их использования лабораторной практикой и не позволяло использовать в промышленном масштабе.
Системы эмульгирования с более высокой производительностью, пригодные для использования в промышленном масштабе требуют высоких удельных энергозатратах. Системы ротор - статор с ламинарным потоком редко используются на практике. Поэтому, в промышленном масштабе наибольшее применение нашли системы ротор - статор с турбулентным течением и системы гомогенизации высокого давления.
Использование систем ротор - статор с турбулентным течением обеспечивает получение эмульсий со средним диаметром частиц дисперсной фазы около 1m.
Системы высокого давления выгодно отличаются более низкими энегрозатратами для получения эмульсионных систем аналогичной степени дисперсности. Существуют различные типы систем гомогенизации высокого давления: радиальные распылители, которые являются наиболее распростра 47 ненными в индустриальном производстве установками высокого давления, струйные-диспергаторы и противоструйные-диспергаторы, а также различные системы гомогенизаторов со специальной комбинацией клапанов [109]. Эти машины реализуют, высокие напряжения сдвига в рассеивающей зоне, что позволяет деформировать и разрушать большиечастицы дисперсной фазы. Однако, следуют отметить, что использование гомогенизаторов высокого давления может обусловить потерю функциональных свойств таких поверхностно активных веществ, как фосфолипиды, белки, крахмалы или ненасыщенные жирные кислоты.
Метод ультрафильтрации или мембранного эмульгирования основан на принудительном (с использованием избыточного давления) поступлении дисперсной фазы через мембрану в непрерывную фазу [110].
Особенностью метода является возможность получения микроэмульсий с узким распределением размеров частиц дисперсной фазы. Достаточно подробное рассмотрения особенностей технологий мембранного эмульгирования, представлено в работах [111-113].
Общими недостатками установок для мембранного эмульгирования являются возникновение дополнительного сопротивления перемещению массы, создаваемом мембраной, а также достаточно низкой стойкостью или восстанавливаемостью мембранных поверхностей, замена которых требует высоких затрат.
Метод пролипосом состоит в предварительном получении «незагруженных» липосом, путем диспергирования фосфолипидов в гидрофильной среде, представляющей собой, как правило, систему, состоящую из воды, этанола и регулятора кислотности. На этом этапе фосфолипиды образуют структурированную систему, представляющую собой достаточно плотно упакованные бислои. При удалении воды, структура системы, как правило, не нарушается и при последующем добавлении деминерализованной воды – образуется микроэмульсия. Далее осуществляется загрузка пролипосом липофильными микронутриентами, а затем – гидрофильными [102]. На практике существует достаточно много разновидностей пролипо-сомных технологий, эффективность и особенности которых в немалой степени определяются особенностями состава и структуры используемых фосфолипидов [99, 103, 114-116].
Научные публикации, посвященные вопросам использования фос-фолипидов для инкапсуляции физиологически ценных микроингредиентов, свидетельствуют об актуальности данного направления исследований, как в России, так и за рубежом.
Однако, большинство имеющихся разработок и выполненных исследований в качестве фосфолипидов, предусматривает использование сырья зарубежного производства, а, именно, фосфолипидные продукты, полученные из сои, как превалирующий масличной культуры основных производителей – США, Канады и др.
Особенности состава и свойств фосфолипидных продуктов из таких перспективных отечественных масличных культур, как подсолнечник и рапс, а также зародыши кукурузы до настоящего времени исследованы не достаточно.
Следует отметить, что в настоящее время получение фосфолипидов в виде товарного продукта под торговым названием «стандартный жидкий лецитин» (ГОСТ Р 53970-2010) осуществляется лишь на 5 маслоперераба-тывающих предприятиях (ООО «Лабинский» МЭЗ, г.Лабинск Краснодарский край; ООО «Центр Соя» ст. Тбилисская, Краснодарский край; ЗАО «Содружество-Соя», г.Калиниград; ОАО «ИМЖК» - Иркутский масложи-рокомбинат, г.Иркутск; ООО«Амурагроцентр», г. Благовещенск).
Согласно данным таможенной статистики превалирующая часть отечественных лецитинов экспортируется преимущественно в станы Европы, где осуществляется их технологическая трансформация с получением ассортимента пищевых микроингредиентов с различной направленностью технологически функциональных свойств.
Методы исследования витаминно-минеральных премиксов
Как видно из представленных данных, фазовый переход для образца ЛПФ осуществляется при температуре 37 оС. Учитывая это, получение микроэмульсий и последующую инкапсуляцию необходимо проводить при температуре, несколько превышающей температуру фазового перехода, а, именно, в температурном диапазоне 39-40оС.
Более высокие температурные режимы использовать нецелесообразно в связи с отрицательным влиянием повышенных температур на окислительную стабильность липидных систем.
Известно, что структура двойного слоя или бислоя, образуемого фосфолипидными молекулами в водных средах, а также размер частиц дисперсной фазы микроэмульсий существенно зависят от концентрации лецитина в водной фазе.
Учитывая это, определяли эффективное соотношение ЛПФ и воды. Результаты исследования представлены на рисунке 3.7. Из представленных данных видно, что с возрастанием концентрации ЛПФ существенно увеличиваются, как средний размер частиц, так и удельное содержание в дисперсном составе микроэмульсий частиц большего размера.
Результаты микроскопического исследования получаемых эмульсий показали, что при концентрации лецитина, превышающей содержание 10 г на 100 г эмульсии, сферическая форма частиц микроэмульсии деформируется, а их оболочка теряет однородность и эластичность.
На основании обобщения данных, представленных в научной литературе, а также результатов, получения микроэмульсий с инкапсулированными веществами. Структурная схема получения микроэмульсий с инкапсулированными проведенных экспериментальных исследований, нами был предложен способ веществами Согласно представленной схеме, на первом этапе осуществляли получение микроэмульсии ЛПФ в воде путем их дозирования и последующего нагрева системы до температуры 39 оС с последующей интенсивной гомогенизацией.
Получение микроэмульсии контролировали с помощью микроскопа, а также путем определения размера частиц с помощью лазерного анализатора частиц Zetasizer Nano S.
Приготовленный масляный раствор -каротина дозировали в состав полученной микроэмульсии при перемешивании со скоростью 3-5 с-1.
После экспозиции системы в течение 20 минут при перемешивании с той же скоростью для полной солюбилизации -каротина.
Далее в микроэмульсию при постоянном перемешивании дозировали подготовленный раствор витамина С. Затем осуществляли гомогенизацию системы в течение 20 минут. После гомогенизации полученную микроэмульсию охлаждали до температуры 20оС в целях ее стабилизации. Внешний вид и схема работы экспериментальной лабораторной установки представлен на рисунке 3.9 На следующем этапе исследовали характеристики полученных микроэмульсий.
Исследование инкапсулирующей емкости и стабильности микроэмульсий, образованных подсолнечным фракционированным лецитином
На первом этапе эксперимента варьировали концентрацию витамина С в водной фазе от 0,5 до 4,5 %.
Количество масляного раствора -каротина было постоянным и составляло 10% от количества ЛПФ. Такое количество было обусловлено имеющимися рекомендациями по получению липосомальных субстанций [94, 102]. вода микроэмульсия
Схема работы установки для получения микроэмульсий с инкапсулированными веществами В процессе эксперимента изучали степень инкапсуляции витамина С и -каротина. Количество инкапсулированного -каротина определяли с использованием стандартной методики как разность между эмульгированной и выделившейся масляной фазой.
Для определения степени инкапсуляции витамина С был модифицирован метод диализа. В качестве диализационной камеры использовали мембрану из полимерного волокна с размером пор 40 нм, что исключало ее проницаемость даже для самых мелких частиц дисперсной фазы, размеры которых превышали 70 нм.
В диализационную камеру помещали образцы микроэмульсий с инкапсулированным витамином С, после чего ее помещали в термостатируе-мую ячейку, заполненную бидистиллированной водой. После экспозиции системы при 25оС в течение 8 часов, что, как было показано предварительными экспериментами, является достаточным временем для достижения равновесной концентрации растворов в диализационной камере и в ячейке, определяли содержание витамина С в диализате.
Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.10. Из представленных данных видно, что с возрастанием концентрации витамина С в водной фазе более 1,5% снижается степень инкапсуляции, как витамина С, так и масляного раствора -каротина, что, вероятно, связано с разрушением эмульсии в результате изменения структуры адсорбционного слоя, вызванного изменением рН. В целом степень инкапсуляции липофильного ингредиента существенно превосходит степень инкапсуляции гидрофильного и достигает максимума, составляющего 100 %, тогда, как степень инкапсуляции гидрофильного компонента не превышает 67%. Учитывая, что ЛПФ отличается физико-химическими показателями и составом от лецитинов, ранее использованных для получения липосо-мальных систем, представляло интерес исследовать границы емкости полученных микроэмульсий по липофильным компонентам.
Разработка способа получения микроэмульсий, образованных подсолнечным фракционированным лецитином
Полученная микроэмульсия подавалась на форсунки распылительной сушилки с регулируемой скоростью подачи и скоростью распыления около 5 л/час. Влажность высушенного продукта составляла не более 5%.
Сушилка укомплектована циклоном для отделения высушенных порошкообразных продуктов теплоносителя (азота). Разделение в циклоне происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении потока между корпусом и выхлопным патрубком.
Отделенные порошкообразные премиксы направлялись в сборник накопитель готового продукта.
Потери премиксов при сушке составляют от 5 до 8%. Готовые витаминно-минеральные премиксы расфасовывали в герметичные банки из полипропилена с контролем первого вскрытия массой нетто 50 г. На пилотной установке в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» была выработаны опытные партии ви-таминно-минеральных премиксов «Витаминный» и «Антиоксидантный».
Результаты исследования органолептических и физико-химических характеристик разработанных витаминно-минеральных премиксов представлены в таблице 5.1.
Органолептические и физико- химические характеристики витаминно-минеральных премиксов Наименование показателя Характеристика и значение показателя «Витаминный» «Антиоксидантный» ЦветВкус и запахКонсистенцияВлажность,%Насыпная плотность,г/см3Сыпучесть, г/с Белый с желтымоттенкомОбезличенныеПорошкообразная1,970,58 2,20 Светло-оранжевыйОбезличенныеПорошкообразная1,950,61 2,18
Как видно из представленных данных, полученные премиксы имеют высокие органолептические характеристики, а также технологически допустимые показатели сыпучести, насыпной плотности и влажности.
Для анализа восстанавливаемости микроэмульсий премиксы растворяли в воде в соотношении 1:50.
Результаты микроскопирования показали, что полученные растворы представляют собой микроэмульсии, дисперсность которых аналогична дисперсности исходных микроэмульсий. Дисперная фаза представляет собой частицы сферичной формы с эластичной оболочкой. Результаты оценки захватываемого объема и удерживающих характеристик микроэмульсий после восстановления представлены в таблице 5.2.
Захватываемый объем, мл/г Удерживающая способность, %:гидрофильных микронутриентов липофильных микронутриентов 13,573-84 98-100 11,480-85 98-100
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанная технология обеспечивает получение порошкообразных премиксов витаминно-минеральных комплексов в инкапсулированном виде, сохраняющих свою форму и характеристики после восстановления в водной среде. Аналогичные опыты по восстановлению премиксов в кислой и щелочной среде показали, что колебание значений рН в интервале от 3,5 до 8 не приводит к изменению характеристик восстановленных микроэмульсий, что свидетельствует о высоких барьерных характеристиках выбранных инкапсулирующих агентов.
Разработанные витаминно-минеральные премиксы по составу и назначению можно позиционировать, как биологически активные добавки к пище (БАД) на основе чистых субстанций (витимины, минеральные вещества, органические вещества и др.) или концентратов (экстракты растений и др.) с использованием различных наполнителей. Учитывая это, оценку показателей безопасности премиксов осуществляли в соответствии с требованиями технического регламента Таможенного союза ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции» к этой группе продукции.
Оценку стабильности показателей качества и безопасности разработанных премиксов исследовали в процессе хранения. Предварительно свежепо-лученные образцы расфасовывали в герметичные банки массой нетто 50 г из полипропилена с контролем первого вскрытия. Хранение осуществляли при температуре 20+2оС, относительной влажности воздуха не более 75 % без доступа прямых солнечных лучей. Для анализа каждый раз использовали образец с ненарушенной упаковкой в целях исключения влияния неучтенных воздействий на продукт.
Результаты исследования динамики изменения перекисного числа в процессе хранения липосомальных продуктов представлены на рисунке 5.1.
Как видно из представленных данных, перекисное число после 15 месяцев хранения не превысило 5 ммоль активного кислорода /кг. Это свидетельствует о том, что оба премикса остаются стабильными к окислению в течение срока годности, составляющего для продуктов данной группы 12 месяцев. Показатель стабильности инкапсулированных микронутриентов, является одним из основных критериев установления сроков годности. Результаты исследования стабильности инкапсулированных микро-нутриентов при хранении представлены на рисунках 5.2 и 5.3.