Введение к работе
Актуальность темы. Современная наука о функциональном питании - это фундаментальная, эффективно развивающаяся отрасль человеческих знаний, объективно объединяющая большинство современных достижений науки и техники. В соответствии с принятой в Российской Федерации концепцией политики в области охраны здоровья - решение проблем функционального питания является одной из важнейших общегосударственных задач. В соответствии с рядом постановлений Правительства Российской Федерации -главной задачей отечественной пищевой индустрии является скорейшее насыщение товарного рынка страны новыми, высококачественными и безопасными функциональными продуктами, способными сбалансировать и упорядочить структуру питания, а также обеспечить проведение ряда целенаправленных мероприятий по широкомасштабной профилактике здоровья населения страны.
На основании выше изложенного, автором впервые предпринята попытка комплексного решения ряда базовых теоретических, технических и прикладных проблем, определяющих широкое промышленное производство продуктов питания специального назначения (далее по тексту - ППСН). В качестве базовой товарной формы этих продуктов выбраны поликомпонентные напитки, изготовленные из новых физиологически функциональных ингредиентов, что вполне закономерно, как с точки зрения их специального применения и использования в ВС РФ, МЧС, МВД и ИТУ, так и в связи с тем, что напитки прочно вошли в структуру каждодневного питания населения страны и способны эффективно обеспечить системный пролонгированный вариант «доставки» питательных и функциональных биологически активных веществ в организм человека, находящегося в экстремальных условиях.
Весомый вклад в создание и развитие теоретических основ промышленного производства функциональных продуктов питания внесли такие ученые, как: В.Г. Высоцкий, Г.Б. Гаврилов, М.В. Гернет, А.Ф. Доронин, И.А. Евдокимов, Г.И. Касьянов, А.А. Кочеткова, П.Ф. Крашенинин, А.Е. Краснов, К.С. Ладодо, Н.Н. Липатов, Н.Н. Липатов (мл.), М.Ф. Нестерин, А.П. Нечаев, В.Х.
Паронян, А.А. Покровский, Т.С. Попова, И.А. Рогов, Ю.Я. Свириденко, Н.А.Тихомирова, Э.С.Токаев, В.А.Тутельян, Ю.А. Тырсин, A.M. Уголев, В.Д. Харитонов, А.П. Чагаровский, A.M. Шалыгина, В.А. Шатерников, R. Atkins, Е. Bauernfeind., S. Bengmark, V. Kurovanagi и др.
В своих работах большинство выше указанных авторов отмечали, что важнейшим направлением дальнейших научных исследований, связанных с проблемами функционального и специального питания является разработка новых теоретических подходов к созданию комплексных технологий производства поликомпонентных пищеконцентратных смесей на основе физиологически функциональных ингредиентов, а также оптимизации их компонентного состава. В этой связи отмечено, что плохо изучены и разработаны методы математического моделирования выше указанных технологических процессов и оптимизации компонентного состава функциональных продуктов питания. Это, в сою очередь тормозит комплексное решение большинства практических задач, связанных с производством функциональных продуктов питания, в том числе: создание новых технологий и аппаратных схем; разработку методик определения качества и безопасности сырьевой и конечной продукции; расширение ассортимента исходных биологически активных сырьевых компонентов; изучение их биохимического состава и т.д. В связи с выше изложенным, базовую основу работы составила разработка математического аппарата, позволяющего спланировать и оптимизировать все дальнейшие исследования и практические разработки по теме исследований.
Анализ ассортиментного состава исходных сырьевых компонентов выявил их скудность, что подтвердило актуальность разработки новых технологий производства ряда необходимых ингредиентов, в том числе; полноценных белковых компонентов в форме порошковых аминокислотных гидролизатов; витаминных комплексов; полиненасыщенных жирных кислот, а также компонентов антиоксидантного ряда. Наиболее перспективным источником большинства незаменимых аминокислот, являющихся базовой основой функциональных продуктов питания являются протеины животных и рыбы.
Важным преимуществом технологии производства аминокислотных препаратов из рыбного сырья является возможность использования в качестве ферментов для проведения процесса гидролиза белков - собственных протеолитических ферментов ее желудочно-кишечного тракта. Такой метод позволяет: осуществить эффективную переработку сырья с целью получения инстантного порошка «Сухого ферментативного аминосодержащего гидролизата» (далее по тексту «СФАГ-2»), необходимого для последующего создания на его основе серии рецептур поликомпонентных функциональных напитков; существенно снизить себестоимость выпускаемой продукции, осуществив замену дорогостоящих ферментов на их природные аналоги; улучшить качество и количество выпускаемой конечной продукции за счет более высокой протеолитической активности применяемых протеаз и улучшить экологическую обстановку в регионе.
В качестве второго базового компонента для новых поликомпонентных пищеконцентратных смесей на основе физиологически функциональных ингредиентов был выбран порошковый экстракт зеленого чая. Актуальность разработки новой технологии его производства не вызывает сомнения, т.к. большинство существующих технологий не обеспечивают сохранения к конечном продукте многих важных веществ и биохимических соединений. Анализ литературных данных и изучение биохимического состава компонентов чайного сырья, дали возможность по новому определить его роль и место в структуре функциональных продуктов питания. С современных научных позиций чайное сырье, по праву, необходимо отнести к наиболее ценным функциональным продуктам питания с широким набором оздоровительных свойств. В большей степени это относится к зеленому чаю, который, как по своему биохимическому составу, так и по технологи выращивания и переработки безусловно относится к растениям с ярко выраженными функциональными свойствами.
Таким образом, для дальнейшего развития отечественной науки актуальной является разработка нового подхода к созданию поликомпонентных пищеконцентратных смесей физиологически функциональных ингредиентов,
основанного на использовании методов математического моделирования, широком внедрении новых т.н. «щадящих технологий» и новых сырьевых компонентов.
Диссертационная работа соответствует «Концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ» и позволяет внести реальный вклад в решение задач поставленных Правительством РФ в рамках обеспечения населения функциональными продуктами питания.
Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований являлась разработка теоретических и практических основ нового комплексного подхода к созданию заданных потребительских свойств продуктов питания специального назначения на основе поликомпонентных смесей натуральных ингредиентов, в том числе: исходного состава сырьевых компонентов; рецептурного состава; методов контроля качества и безопасности выпускаемой продукции; технологий их промышленного производства, обеспечивающих сохранение нативных оздоровительных, вкусовых, питательных и органолептических свойств, а также биохимического состава исходных сырьевых компонентов.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
разработать и реализовать на практике новые теоретические подходы,
позволяющие оптимизировать технологические процессы производства
ППСН, улучшить их пищевые и реологические свойства, а также сохранить
нативные свойств и биохимический состав исходных сырьевых компонентов;
разработать новую ресурсосберегающую технологию производства «СФАГ-2» на основе натурального экологически чистого сырья, а также экспериментально и теоретически обосновать режимы технологических параметров данного производства, в том числе: продолжительность гидролиза, гидромодуль исходной сырьевой суспензии, набор применяемых ферментов, температурный и кислотно-щелочной режимы.
разработать новую ресурсосберегающую технологию производства
порошковых экстрактов зеленого чая в инстантной форме, с сохранением
большинства пищевых, функциональных, органолептических свойств и биохимического состава исходных сырья;
на основе базовых сырьевых компонентов («СФАГ-2» и порошкового экстракта зеленого чая) разработать новую технологию и аппаратную схему производства ряда ППСН в форме поликомпонентных порошковых и суспензионных напитков с широким спектром оздоровительных и «специальных» потребительских свойств;
осуществить комплексное внедрение выше указанных рецептурных разработок, новых технологий и аппаратных схем, на предприятиях пищевой отрасли с целью их широкого использования в ряде министерств и ведомств Российской Федерации.
Научная концепция. Научная концепция заключается в комплексном, научно обоснованном и проверенном на практике подходе к формированию теоретически заданных потребительских и оздоровительных свойств ППСН за счет использования в процессе их производства новых физиологически функциональных ингредиентов, технологий, процессов, оборудования, способов конструирования рецептур, методов контроля качества и безопасности продукции.
Научная новизна. Разработана концепция конструирования поликомпонентных функциональных и специальных продуктов питания в виде сухих, жидких и суспензионных напитков. Разработаны новые теоретические подходы для оптимизации технологических процессов, лежащих в основе ряда безотходных пищевых производств, в том числе: аминосодержащих биологически активных продуктов, порошковых экстрактов зеленого чая, а также новых продуктов питания специального назначения, произведенных на их основе.
Расширены и углублены представления о биохимическом составе ряда сырьевых компонентов, что дало возможность использования этих данных при создании новой серии оздоровительных продуктов в форме напитков с заданными пищевыми и функциональными свойствами.
Научно обоснованы и экспериментально установлены закономерности режимов осуществления ферментативных реакций в процессе гидролиза мяса рыбы с применением различных видов протеаз, как нативной формы, содержащихся во внутренних органах рыб, так и ряда натуральных протеаз.
Изучена степень протеолитической активности ряда протеаз при различных режимах процесса гидролиза, в зависимости от основных технологических параметров: рН и температуры субстанции, величины гидромодуля, продолжительности процесса гидролиза и ряда других параметров.
Усовершенствованы методы математического моделирования новых производственных процессов с целью оптимизации их технологических параметров, аппаратного оснащения, а также обеспечения качества и безопасности выпускаемой продукции. Разработаны новые способы их постадийного технологического контроля, а также оценки качества и безопасности выпускаемой продукции.
Практическая значимость. В процессе работы над диссертацией автором разработано несколько новых технологий и процессов промышленного производства функциональных биологически активных веществ, в том числе: «СФАГ-2», и порошкового экстракта зеленого чая, а также новые технологии и процессы промышленного производства поликомпонентных напитков, серии «Бионан» и «Казан-Бионан». На основе разработанных технологий и процессов, а также полученных теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных результатов, создано и запущено в промышленную эксплуатацию несколько новых предприятий, производящих продукцию функционального назначения, в том числе: «Экспериментальный завод функциональных продуктов питания» НПО «Биоиндустрия» в городе Шаховская, М.О. и российско-китайское предприятие - Биотехнологическая компания «Джэньюань Хубэй», КНР, Провинция Хубэй, г. Ухань.
Методы математического моделирования технологических параметров вновь разрабатываемых технологических процессов внедрены в качестве
базовых в практику выполнения НИР и НИОКР МГУТУ, АО «Биохиммаш» и НПО «Биоиндустрия». Практическую значимость имеет разработанный математический аппарат, позволяющий существенно сократить время отработки оптимальных значений технологических параметров, а также существенно повысить качество и безопасность выпускаемой продукции за счет оптимизации и контроля над ходом сложных многофункциональных производственных процессов.
В качестве источников протеолитических ферментов для осуществления процесса ферментолиза тушки рыбы использованы т.н. «субпродукты», что имеет крайне важное экологическое и природоохранное значение, связанное с необходимостью эффективной утилизации отходов промышленных производств, перерабатывающих рыбное сырьё.
Разработаны новые технологические приемы и отработаны режимы работы технологического оборудования, позволяющие эффективно и качественно сохранять в исходном сырье большинство биологически активных веществ и соединений в нативной форме, что, в конечном счете, резко повышает уровень потребительских свойств выпускаемой продукции.
Теоретические аспекты работы включены в учебный процесс при чтении цикла лекций и проведения лабораторных работ по курсу «Технология промышленной переработки растительных субстратов» на Плодоовощном факультете МСХА им. К.А.Тимирязева.
Автор выносит на защиту:
Принципиально новый, комплексный подход к созданию технологий и процессов производства функциональных продуктов питания из различных видов биологически активных веществ в форме поликомпонентных напитков, основанный на использовании методов математического моделирования, результатах изучения биохимического состава используемых сырьевых компонентов, применении совершенного технологического оборудования и новых методов контроля качества и безопасности выпускаемой продукции.
Теоретические основы и преимущества новых технологий и процессов производства функциональных аминосодержащих пищевых добавок и
порошкового экстракта зеленого чая, в том числе: технологические и аппаратные схемы данных производств; расчет материального баланса технологических процессов, а также полученные экспериментальные данные по оптимизации технологических процессов.
3. Новые методы математического моделирования технологических
процессов указанных выше производств, необходимые для оптимизации
численных значений их технологических параметров, а также принципиально
новые подходы к использованию современного математического аппарата для
создания поликомпонентных смесей функциональных продуктов питания в
форме порошков и суспензий.
Теоретические основы и преимущества новой технологии производства ППСН в форме напитков серии «Бионан» и «Казан-Бионан», в которой, к качестве базовых компонентов используется: новая биологически активная добавка «СФАГ-2» и порошковый экстракт зеленого чая. В том числе: технологическая и аппаратная схемы их производства; расчет материального баланса технологического процесса; схема расстановки технологического оборудования и др.
Результаты экспериментальных исследований биохимического состава значительного количества растительных и животных сырьевых компонентов, перспективных для включения в состав новых продуктов функционального питания, а также результаты оценки их товарных запасов.
Работа является обобщением научных исследований, выполненных лично автором. Основная часть теоретических и экспериментальных исследований по разработке технологий и процессов промышленного производства новых аминосодержащих препаратов выполнена на научно-производственной и лабораторной базе МГУТУ, НПО «Биоиндустрия» и ВНИИ «Продуктов адекватного питания». В МГУТУ выполнена основная часть работ по статистической и аналитической обработке экспериментальных данных и их обобщению. Разработка ТУ и ТИ на новые биотехнологии и процессы промышленного производства указанных препаратов осуществлена на опытно-промышленной базе АО «Биохиммаш», СП Биотехнологическая
компания «Чжэньюань Хубэй», МИТХТ им. М.В. Ломоносова и ГУ ВНИИпивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности. Работы по опытно-промышленной адаптации, масштабированию и внедрению процессов и технологий осуществлены на производственной базе СП Биотехнологическая компания «Чжэньюань Хубэй» и НПО «Биоиндустрия». Изучение биохимического состава различных сортов зеленого чая выполнены на сельскохозяйственной, производственной и лабораторной базе Хуанганского Государственного политехнического Университета, КНР, Провинция Хубэй, г. Хуанган.
Большинство приведенных в диссертационной работе результатов аналитических и экспериментальных исследований, описания биохимических характеристик новых препаратов и функциональных продуктов питания на их основе, технологий и процессов их промышленного производства и промышленные образцы продукции защищены Патентами РФ, несколькими монографиями, а также многочисленными публикациями в научной литературе.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XX Научной конференции МСХА им. К.А. Тимирязева (Москва, 2001), IX Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, 2003), Международной конференции и выставки «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2003), Международной конференции «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2004), Второй Международной конференции «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2004), XXII Научной конференции МСХА им. К.А.Тимирязева (Москва, 2004), VI Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, М.О., 2005), Конференции молодых ученых МСХА им. К.А.Тимирязева (Москва, 2005), ХХШ Научной конференции МСХА им. К.А.Тимирязева (Москва, 2005), XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой отрасли» (Москва, 2005),
Российско-Корейской научно-практической конференции восток-запад -«Эколого-экономические проблемы XXI века», VIII Международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты». Москва, октябрь 2010 г., МГУПП, расширенных заседаниях профильных кафедр МГУТУ, МСХА им. К.А. Тимирязева и МИТХТ им. М.В. Ломоносова, а также расширенных заседаниях ученых советов ФГУ АО «Биомаш», ВНИИ «Продуктов адекватного питания» и НПО «Биоиндустрия».
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 69 печатных работ, в том числе девять патентов Российской Федерации и три монографии.
Публикации автора имеются в Трудах Международных, Всероссийских, региональных научных конференций, конгрессов, симпозиумов, в журналах «Пищевая промышленность», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Пиво и напитки», «Рыбная промышленность», и других отечественных и зарубежных изданиях. Личное участие автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в формировании научных направлений, постановке задач и целей исследований, разработке экспериментальных и теоретических подходов к проведению работ и исследований, проведению самостоятельных экспериментов и опытов, статистической обработке результатов, а также в формулировании выводов и заключений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, терминов и определений, использованных в работе, а также списка литературы и нескольких приложений. Текст диссертации изложен на 387 страницах, содержит 45 таблиц, 28 рисунков и 34 формулы. Список использованной литературы включает 287 наименований, в том числе 143 публикации иностранных авторов.
