Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Расширение ассортимента подслащивающих сиропов как основа эффективности сахарной отрасли 10
1.2. Эффективные технологии очистки диффузионного сока свеклосахарного производства 17
1.3. Особенности инверсии сахарозы, способы обогащения фруктозой инвертных сиропов 21
1.4. Современное состояние теоретических и практических разработок производства пищевых продуктов на основе глюкозно-фруктозных сиропов 26
1.5. Описание процесса экстракции с помощью фазовых диаграмм 30
Глава 2. Технология глубокой очистки диффузионного сока для получения высокофруктозных сиропов из сахарной свеклы 35
2.1. Разработка высокоэффективной преддефекации диффузионного сока 35
2.1.1. Изучение электрокинетических характеристик преддефекованного сока 35
2.1.2. Способ проведения высокоэффективной преддефекации 43
2.1.3. Технологическая схема очистки диффузионного сока с отделением преддефекационного осадка 48
2.2. Технология очистки диффузионного сока в режиме максимального использования адсорбционной емкости карбоната кальция 50
Глава 3. Технология получения высокофруктозных сиропов из диффузионного сока глубокой очистки методом избирательной экстракции 71
3.1. Растворимость глюкозы и фруктозы в водно-органических средах 71
3.2. Физико-химический механизм процесса растворения углеводов в водно-органических средах. Уравнение растворимости 81
3.3. Основные закономерности разделения фаз в водно-ацетоновых растворах эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы. Фазовая диаграмма системы 88
3.4. Принципиальная технологическая схема получения высоко-фруктозного сиропа из сахарной свеклы 117
Глава 4. Разработка рецептур безалкогольных напитков на основе высокофруктозного сиропа, полученного методом избирательной экстракции 129
4.1. Сравнительные органолептические характеристики сахарного и высокофруктозного сиропа с одинаковой массовой концентрацией углеводов 129
4.2. Новые рецептуры газированных безалкогольных напитков на основе высокофруктозного сиропа 132
Выводы 141
Литература 143
Приложения 164
- Особенности инверсии сахарозы, способы обогащения фруктозой инвертных сиропов
- Способ проведения высокоэффективной преддефекации
- Основные закономерности разделения фаз в водно-ацетоновых растворах эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы. Фазовая диаграмма системы
- Новые рецептуры газированных безалкогольных напитков на основе высокофруктозного сиропа
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Необходимость внедрения новых технологий в отрасли пищевой и перерабатывающей промышленности, позволяющие значительно расширить выработку продуктов нового поколения с заданными качественными характеристиками, в том числе лечебно-профилактического назначения, отмечена в «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года» от 17 апреля 2012 г. (далее – Стратегия). Приоритетными путями решения задачи повышения конкурентоспособности продукции российских организаций пищевой промышленности, создания условий для обеспечения продовольственной безопасности страны, а также импортозамещения в отношении социально значимых продуктов питания и наращивания экспортного потенциала является развитие инноваций и технологического развития на основе масштабного технологического обновления производства с использованием передовых научно-технических разработок.
Также, одной из важных задач, отмеченных в Стратегии, является разработка мер по развитию социального питания, выработки продуктов диетического и лечебно-профилактического назначения для разных возрастных групп населения для улучшения демографического состояния страны и здоровья нации.
Сахаристые продукты из крахмала, в том числе глюкозно-фруктозные сиропы и кристаллическая глюкоза относятся к социально значимым видам продукции. Однако потребности внутреннего рынка в крахмалопродуктах удовлетворяются менее чем наполовину. Особенно значительным является импорт модифицированного крахмала, который составляет 75 %, картофельного крахмала - около 80 %, кристаллической глюкозы - 100 %. Для обеспечения внутреннего рынка по этой продукции в Стратегии предусмотрено двойное увеличение объемов производства крахмала всех видов и сахаристых продуктов с 2013 до 2020г. Прогнозируется доведение мощности по производству глюкозно-фруктозных сиропов в Российской Федерации к 2020 году до 0,5 млн. тонн, что позволит обеспечить импортозамещение более 350 тыс. тонн сахара. При этом общее производство сахаристых продуктов из крахмала к 2020 году будет доведено до 1 млн. тонн. Также планируется создание мощностей (до 20 тыс. тонн) по производству кристаллической глюкозы, включая медицинскую глюкозу фармакопейного качества.
Развитие производства глюкозно-фруктозных сиропов предусматривается на базе высокоэффективной комплексной переработки зернового крахмалсодержащего сырья с максимальным использованием всех его компонентов. Реализация Стратегии на среднесрочную перспективу (2013 – 2016 годы) предусматривает строительство крахмалопаточного предприятия по производству 180-200 тыс. тонн глюкозно-фруктозных сиропов.
В настоящее время ассортимент выпускаемых промышленностью сахаристых продуктов в России практически ограничен кристаллической сахарозой и крахмальной патокой. Конкурентная борьба в условиях рыночных отношений вынуждает промышленные предприятия расширять ассортимент производимых товаров с целью снижения зависимости от конъюнктуры рынка монопольного продукта. Одним из способов диверсифицировать производство сахаристых продуктов может являться выпуск высокофруктозных сиропов (ВФС) из инвертного и других видов глюкозно-фруктозных сиропов (ГФС), а также чистой фруктозы, которые широко применяются за рубежом в качестве заменителей сахара.
ВФС придают продуктам приятный мягкий вкус благодаря содержанию фруктозы, имеют сладость близкую к сладости сахарозы и широко применяются в производстве безалкогольных напитков, молочных продуктов, консервированных фруктов и продуктов профилактического назначения, т.к. их можно использовать вместо сахарозы без существенных изменений в рецептуре. Способность фруктозы и высокофруктозных сиропов к предотвращению высушивания пищевых продуктов на их основе представляет большой интерес для кондитерского и хлебопекарного производств, что особенно важно для диетических продуктов.
В связи с улучшением экономического благополучия населения нашей страны и стремлением к здоровому образу жизни наблюдается рост интереса к потреблению глюкозно-фруктозных сиропов природного происхождения – меда и продуктов на его основе. Одним из недостатков натурального меда, существенно затрудняющим его хранение, дозирование, купажирование, ухудшающим потребительские свойства является быстрая кристаллизация в течение двух-трех месяцев после откачки из сотов. В связи с этим существует необходимость модификации химического состава различных ботанических видов меда, например, путем добавления расчетного количества ГФС-90. Такая обработка позволяет избежать кристаллизации и при этом сохранить его лечебно-профилактические, регламентируемые индивидуальные органолептические и физико-химические свойства, придавая дополнительные полезные качества.
Основная цель данной диссертационной работы – создание инновационных импортозамещающих фруктозосодержащих пищевых продуктов высокого потребительского спроса с направленным изменением химического состава, принципиально новой технологии получения высокофруктозных сиропов, высокофруктозного меда и пищевых продуктов на их основе, обладающих профилактическими свойствами, является своевременной и актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. За рубежом производят ГФС первого, второго и третьего поколения. Продукт первого поколения – это глюкозно-фруктозный сироп, содержащий 42 % фруктозы к массе сухих веществ (ГФС-42), получаемый в процессе изомеризации глюкозного сиропа из крахмала. Сиропы, содержащие фруктозы 55 % (ГФС-55) и выше, часто называют сиропами второго поколения или высокофруктозными сиропами. Сиропы с количеством фруктозы 90 % (ГФС-90) – сиропы третьего поколения, которые используются как самостоятельно, так и для производства кристаллической фруктозы.
Недостаток ГФС-42 в том, что при использовании их в безалкогольных напитках, фруктовых консервах и других изделиях при охлаждении ниже 26 оС глюкоза легко выкристаллизовывается. ГФС-55 более устойчивы к самопроизвольной кристаллизации, т.к. фруктоза кристаллизуется значительно хуже, чем глюкоза и является антикристаллизатором последней. В этих сиропах сахара не кристаллизуются даже при температуре 10-15 оС. В большинстве стран производят преимущественно сиропы первого поколения в связи с более простой технологией.
Фруктоза является важной составной частью пищи людей и животных, хорошо усваивается организмом без вредных воздействий или побочных явлений. Однако фруктоза не встречается в чистой форме, а только либо в смеси с глюкозой (пчелиный мед) или с глюкозой и сахарозой (фрукты, овощи, соки), либо в виде химических соединений в сахарозе (свекловичный или тростниковый сахар), а также в таких полисахаридах как инулин (солодка, цикорий, топинамбур). Применение фруктозы в чистом виде стало возможным благодаря разработке фирмой Laevosan-Gesellschaft (Австрия) промышленного метода получения фруктозы на базе инулина из клубней цикория в середине 20 века. Затем в качестве сырья для выработки фруктозы вместо цикория стали использовать сахарозу.
Впервые глюкозно-фруктозные (инвертные) сиропы были получены гидролизом (инверсией) сахарозы, приводящим к образованию эквимолярной смеси фруктозы и глюкозы. Значительный вклад в теорию каталитического гидролиза сахарозы в растворах с образованием инвертного сиропа, в изучение влияния рН и температуры на кинетику процесса внесли ученые МГУПП – Сапронов А.Р., Колчева Р.А., Сапронова Л.А. и др.
ГФС первого поколения из крахмалосодержащего сырья получают в две стадии – кислотно-ферментативным осахариванием крахмала до глюкозы с последующей ее частичной ферментативной изомеризацией во фруктозу. Существенный вклад в изучение процесса каталитического превращения глюкозы во фруктозу в присутствии иммобилизованной глюкоизомеразы и в разработку технологии процесса в конце прошлого столетия внесли ученые школы член-корреспондента АН СССР, декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова профессора Березина И.В – Ананичев А.В., Улезло И.В. и др., а также сотрудники ВНИИ крахмалопродуктов – Ладур Т.А., Андреев Н.Р., Лукин Н.Д.
Начиная с 1978 г. в США, Японии и других странах начато и нашло широкое применение производство кукурузных сиропов с высоким содержанием фруктозы – КСВСФ, которые в нашей стране называют ВФС.
Обогащение сиропов фруктозой представляет собой сложную и дорогостоящую технологическую задачу, следствием чего является высокая стоимость ВФС и особенно чистой кристаллической фруктозы, которую получают из ГФС-90.
В современных технологиях получения ВФС и фруктозы исходным сырьем являются глюкозно-фруктозные сиропы с относительным содержанием фруктозы 42-45 % (ГФС-42 или инвертный сироп), а единственным методом обогащения фруктозой является промышленная хроматография, которая использует дорогостоящее оборудование и требует высококвалифицированного персонала для обслуживания.
Несмотря на наличие единичных технологических разработок по получению ГФС-42, в настоящее время в России практически отсутствуют действующие производства высокофруктозных сиропов нового поколения – ГФС-55 и ГФС-90. Применяемые за рубежом технологии не могут быть перенесены в российские пищевые производства без научно обоснованной модификации этих технологий под российское сырье – пшеничный крахмал, который, по мнению экспертов, является наиболее перспективным.
На наш взгляд, усовершенствовать и упростить технологию получения ВФС возможно путем обогащения фруктозой вырабатываемых в РФ глюкозно-фруктозных сиропов с относительным содержанием фруктозы 25 – 50 % методом избирательной (селективной) экстракции или кристаллизации химических компонентов сиропов в присутствии органических растворителей, сохраняя при этом высокую эффективность и рентабельность сахарных и крахмалопаточных производств.
В настоящее время отсутствуют научно-обоснованные методы целенапраленного изменения химического состава меда, собираемого в РФ, с целью улучшения его потребительских качеств, так как современные литературные сведения о точном химическом составе и лечебно-профилактических свойствах меда в основном касаются ботанических видов, собираемых за рубежом. Данные отечественных исследователей: В.Г. Чудакова, А.Ф. Губина, А.И. Аринкиной, И.П. Чепурного – противоречивы, имеют разрозненный характер и основаны на применении устаревших методов анализа. Помимо уточнения данных об углеводном составе натурального меда, многие другие вопросы требуют развития, особенно в отношении методологических проблем, в частности отсутствует комплексная товароведная оценка его качества, которая необходима для контроля при закладке меда на хранение, а также приемке перерабатывающими и торговыми предприятиями.
Изложенные проблемы позволили сформулировать цели и задачи исследования.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие теории и практики создания инновационных импортозамещающих фруктозосодержащих пищевых продуктов с направленным изменением химического состава, принципиально новой технологии получения высокофруктозных сиропов и высокофруктозного меда, обладающих профилактическими свойствами.
В соответствии с целью были определены следующие задачи:
- на основе экспериментальных данных провести полный физико-химический анализ впервые обнаруженного явления избирательной экстракции фруктозы и избирательной кристаллизации глюкозы органическими растворителями из глюкозно-фруктозных сиропов, содержащих 25-50 % фруктозы к массе сухих веществ;
- построить детальные математические модели разработанных инновационных методов избирательной экстракции инвертного сиропа и кристаллизации ГФС-25 с целью оптимизации соответствующих технологических процессов получения ГФС-55 и ГФС-90;
- разработать принципиальные технологические схемы обогащения инвертного и глюкозно-фруктозного сиропов фруктозой на основе метода избирательной экстракции и кристаллизации органическими растворителями;
- разработать рецептуры безалкогольных напитков с использованием ГФС-55, полученных по предложенной технологии и изучить их потребительские свойства;
- исследовать потребительские предпочтения при выборе меда и пищевых продуктов на его основе для проектирования инновационных продуктов питания с направленным изменением химического состава;
- исследовать химический состав и физико-химические свойства основных ботанических видов меда, занимающих наибольший удельный вес в общем его объеме производства и потребления в Российской Федерации;
- разработать комплексную товароведную оценку качества цветочного меда по органолептическим и физико-химическим показателям для предупреждения фальсификации продукции на основе меда при их приемке и реализации перерабатывающими, пищевыми и торговыми предприятиями;
- разработать технологию обогащения натурального меда фруктозой добавлением расчетного количества ГФС-90, предотвращающую его кристаллизацию при хранении и сохраняющую свойственные каждому ботаническому виду меда органолептические и физико-химические показатели;
- разработать новые пищевые продукты на основе меда, обладающие улучшенными потребительскими свойствами.
Научная новизна. Изучена растворимость глюкозы, фруктозы и сахарозы в водных изопропаноле, ацетоне и ацетонитриле. Впервые экспериментально получено и теоретически обосновано общее уравнение растворимости углеводов, справедливое в широком диапазоне изменений концентраций компонентов смесей: Р = аСb, где С – содержание воды бинарном растворителе, Р – растворимость углеводов. Доказана определяющая роль гидратации молекул углеводов в механизме растворения углеводов в водно-органических средах.
На основе полученных данных о растворимости углеводов в бинарных растворителях выдвинута концепция принципиально нового метода обогащения фруктозой глюкозно-фруктозных сиропов с помощью явления избирательной экстракции и кристаллизации.
Впервые разработана теория математического моделирования избирательной экстракции и кристаллизации на основе фазовых диаграмм Гиббса с привлечением математических методов анализа, позволяющая точно вычислить массовые доли и концентрации химических компонентов образующихся двух фаз, исходя из суммарного количества глюкозы, фруктозы, воды, органического растворителя в смеси. Теория объясняет наблюдаемые экспериментально особенности избирательной экстракции и кристаллизации, служит основой построения математических моделей для соответствующих технологических процессов.
Разработаны и физико-химически обоснованы технологические критерии, позволяющие всесторонне проанализировать процесс разделения глюкозы и фруктозы при избирательной экстракции и кристаллизации инвертных и глюкозно-фруктозных сиропов. Впервые введен и обоснован интегральный показатель эффективности разделения компонентов, рассмотрение которого в качестве целевой функции позволяет оптимизировать технологические условия проведения процесса для ГФС любого исходного состава и сравнивать между собой достигнутые результаты.
Построенные математические модели позволили выявить возможности метода избирательной экстракции и кристаллизации ГФС, предложить соответствующую комплексную рациональную и эффективную технологию получения высокофруктозных сиропов в зависимости от химического состава исходных сиропов.
На основе теоретического анализа экспериментальных фактов экстракции и кристаллизации ГФС, исследования изменений химического состава и физико-химических свойств при хранении натурального меда разработана концепция проектирования пищевых продуктов из высокофруктозного меда, содержащего 55 % фруктозы к массе СВ, устойчивых к кристаллизации с улучшенными потребительскими и профилактическими свойствами.
Впервые проведен системный анализ химического состава и физико-химических свойств основных отечественных ботанических видов меда как природных глюкозно-фруктозных сиропов, обладающих высокой ферментативной активностью, следствием которой является эволюция его характеристик при хранении.
С помощью современного метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) установлен точный углеводный состав основных ботанических видов меда (липового, акациевого, подсолнечникового и гречишного), выявлены его специфические особенности и характер изменения в процессе хранения, что послужило основой разработки комплексной оценки качества меда и продуктов на его основе.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установленный функциональный вид зависимости растворимости глюкозы, фруктозы, сахарозы от содержания воды в бинарных водно-органических растворителях Р = аСb может служить методологической основой анализа экспериментальных данных растворимости других углеводов и веществ иной химической природы, уточнению данных путем применения метода наименьших квадратов для расчета параметров уравнения растворимости а и b при обработке результатов измерений в билогарифмических координатах lgC-lgP.
Теоретически обоснованный инновационный метод обогащения фруктозой избирательной экстракцией и кристаллизацией соответственно инвертных и глюкозно-фруктозных сиропов подтвержден экспериментально и защищен патентами РФ № 2297457 и № 2347818.
Разработана технология глубокой очистки диффузионного сока для производства высокофруктозных сиропов из инвертного сиропа, полученного переработкой сахарной свеклы. Способ и технологическая схема очистки диффузионного сока с отделением преддефекационного осадка, увеличивающие общий эффект очистки сока на 7,6%, внедрены на Товарковском сахарном заводе и ОАО «Русский сахар». Способ очистки диффузионного сока с рациональным распределением извести перед I и II сатурациями внедрен на Товарковском сахарном заводе. Указанные способы защищены патентами РФ № 2158766 и № 2169773.
Разработаны комплексные технологические схемы получения высокофруктозных сиропов ГФС-55 и ГФС-90 из инвертных сиропов и ГФС с низким содержанием фруктозы.
Способ получения высокофруктозного сиропа путем обогащения фруктозой глюкозно-фруктозных сиропов с выделением глюкозы методом кристаллизации из водно-органических сред прошел опытно-производственные испытания в ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН. Установлено, что данный способ является достаточно эффективным и может быть использован в технологических схемах отечественного производства ГФС-55 из глюкозно-фруктозных сиропов с низким содержанием фруктозы (20-35% к массе сухих веществ).
Разработаны новые способы очистки глюкозы и сахарозы методом избирательной кристаллизации в присутствии органических растворителей. Способы защищены патентами РФ № 2347817 и № 2399677 и позволяют из сахара-сырца получить пищевой кристаллический сахар высокой степени очистки, а из технической глюкозы – глюкозу фармакопейного качества.
Разработаны новые рецептуры газированных безалкогольных напитков с высокими органолептическими качествами на основе вишневого сока и грушевой эссенции с полной заменой сахара на высокофруктозный сироп, полученный по предложенной технологии. Подготовлен проект технических условий на напиток «Вишневый без сахара».
На основании всестороннего изучения физико-химических свойств образцов меда различного ботанического происхождения и срока хранения разработан ряд объективных и достоверных способов товароведной экспертизы качества меда.
Разработан универсальный способ обнаружения фальсификации натурального меда по содержанию глюкозы и фруктозы, который значительно повышает воспроизводимость и достоверность метода по сравнению с известными, т.к. позволяет выявить такую фальсификацию независимо от ее вида в течение регламентируемого срока годности (12 месяцев). Указанный способ защищен патентом РФ № 2470295.
Разработаны способы идентификации гречишного, акациевого, подсолнечникового и липового меда в зависимости от содержания фруктозы, глюкозы, мальтозы и диастазного числа. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2472148, № 2473239, № 2473240 и № 2473241 соответственно.
Разработаны способы определения возраста меда (свежести) по совокупности показателей (содержанию глюкозы, фруктозы, кислотности и диастазному числу). На способы определения свежести подсолнечникового, гречишного, липового и акациевого меда получены патенты РФ № 2471182, № 2471183, № 2472147 и № 2473238 соответственно.
Разработана комплексная товароведная оценка качества основных ботанических видов меда (липового, акациевого, подсолнечникового и гречишного) по совокупности органолептических и физико-химических показателей, позволяющая достаточно полно оценить потребительские свойства меда при приемке и реализации.
Комплексная оценка качества меда была утверждена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» (МГУПП), внедрена в учебный процесс кафедры «Товароведение и экспертиза товаров» в ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.А. Плеханова» и кафедры «Товароведение и основы пищевых производств» ФГБОУ ВПО МГУПП.
Методология предложенной комплексной оценки качества меда может служить теоретической базой для разработки способов идентификации, определения свежести и обнаружения фальсификации других видов меда, что поможет повысить качество реализуемых пищевых продуктов для конечного потребителя.
На основании выявленной близости химического состава и физических свойств меда и глюкозно-фруктозных сиропов разработан новый способ обработки натурального меда добавлением в него ГФС-90, позволяющий избежать кристаллизации при хранении, улучшить внешний вид, упростить его дозирование и перемешивание в технологических процессах. Новизна предложенного способа подтверждена патентом РФ № 2341977.
На основе модифицированного по данному способу меда разработан ряд плодово-ягодных композиций, позволяющих существенно расширить ассортимент данного вида продукции, обладающих повышенной пищевой и органолептической ценностью, с увеличенным сроком хранения без кристаллизации, с благотворным синергетическим действием его ингредиентов на вкусоароматические, физиологические, биологические свойства композиции. На указанные композиции получено 15 патентов РФ (№ 2377871, № 2378870, № 2378878 – №2378886, № 2379946, № 2380948 – № 2380950).
Разработана рецептура безалкогольного напитка, содержащего в качестве физиологически активного ингредиента высокофруктозный мед. Предложенный медовый напиток обладает высокими вкусоароматическими достоинствами, хорошей стойкостью, может использоваться в специальном питании, например, в спортивном, удобен в приготовлении, его можно легко приготовить непосредственно перед употреблением без затраты времени на роспуск закристаллизованного меда.
Методология и методы исследования. Методология и общая схема организации исследований представлена на рисунке 1.
Для получения и обработки экспериментальных результатов исследования применялись общепринятые и специальные математические, физико-химические и органолептические методы исследования.
Расчет параметров уравнения растворимости а и b глюкозы, фруктозы, их смесей и сахарозы проводили с использованием метода наименьших квадратов.
Физико-химический анализ гетерогенных систем «углеводы – вода – органический растворитель» проводился на основе метода фазовых диаграмм Гиббса.
Получение и изучение свойств ВФС различной природы для расширения ассортимента пищевых фруктозосодержащих сиропов
Исследование физико-химических свойств натурального меда
Исследование процесса обогащения фруктозой инвертного и глюкозно-фруктозных сиропов инновационным методом избирательной экстракции и кристаллизации
Определение органолептич. и физико-химических показателей качества меда
Анализ химического состава основных ботаническихвидов меда
Изучение динамики изменения объемов фаз при добавлении органического растворителя
Анализ химического состава двух фаз методом ВЭЖХ
Определение растворимости углеводов в водно-органических средах
Изучение изменений физ.-хим. показателей качества меда при хранении
Изучение динамики изменения химического состава меда при хранении
Определение зависимостей обогащения фруктозой верхней жидкой фазы
Физ.-хим. обоснование уравнения растворимости углеводов Р=аСb
Проверка адекватности простейшей метаматематической модели на основе уравнения Р=С2
Разработка способа обработки меда без кристаллиза-ции при хранении
Разработка способов идентификации, определения натуральности и свежести меда
Построение математических моделей избирательной экстракции и кристаллизации ГФС
Определение механизма антикристал-лизационного действия фруктозы в ГФС
Определение основных технологических параметров и показателей эффективности процесса обогащения
Разработка новых пищевых плодово-ягодных композиций и безалкогольного напитка на основе высокофруктозного меда с улучшенными потребительскими свойствами
Разработка технологической схемы получения ГФС-55 и ГФС-90
Разработка комплексной оценки качества меда по составу сахаров, органолептическим и физико-химическим показателям
Разработка рецептур безалкогольных напитков на основе ГФС-55, полученного по новой технологии
Рисунок 1 – Схема исследований
Теория моделирования инновационного метода избирательной экстракции и кристаллизации ГФС с целью получения высокофруктозных сиропов построена с привлечением математического анализа, аналитической геометрии, алгебры и теории рядов.
Содержание глюкозы, фруктозы, изопропанола, ацетона в образующихся фазах при разделении моносахаров и углеводный состав меда определяли с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии со статистической обработкой результатов.
Органолептические показатели качества меда определяли описательным методом по ГОСТ Р 19792-2001, ГОСТ Р 52451-2005 и балловым методом по разработанной 5-балловой шкале с использованием коэффициентов весомости для отдельных показателей качества Влажность образцов меда определяли методом высушивания до постоянной массы при температуре 100-105 оС. Общую титруемую кислотность меда определяли методом титрования гидроксидом натрия по ГОСТ 19792-2001, диастазное число – колориметрическим методом по ГОСТ 19792-2001.
Органолептические показатели качества безалкогольных напитков оценивали описательным методом согласно ГОСТ 6687.5-86 и с помощью известной 25-балльной шкалы. Массовую долю сухих веществ напитков определяли рефрактометрическим методом по ГОСТ 6687.4-90, кислотность – методом титрования раствором щелочи по ГОСТ 6687.4-86, стойкость – термостатированием при температуре 18-22 оС по ГОСТ 6687.6-88.
Маркетинговые исследования по выявлению потребительских предпочтений проводились методом опросного анкетирования и классического анализа документов с использованием метематико-статистической обработки результатов.
Научная концепция. Развитие теории и практики создания пищевых продуктов с высоким содержанием фруктозы и улучшенными потребительскими характеристиками с помощью инновационных технологий, применимых в условиях Российской Федерации.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
1) теоретическое и экспериментальное обоснование инновационного метода избирательной экстракции и кристаллизации, разработанного с целью обогащения фруктозой инвертного и глюкозно-фруктозных сиропов с низким содержанием фруктозы;
2) математические модели и результаты моделирования процессов избирательной экстракции фруктозы и избирательной кристаллизации глюкозы из ГФС органическими растворителями;
3) новые технологии и технологические схемы получения высокофруктозных сиропов различного химического состава: второго (ГФС-55) и третьего поколений (ГФС-90) из отечественного сырья - сахарной свеклы и ГФС первого поколения из крахмалопродуктов;
4) совокупность экспериментальных данных по углеводному составу и физико-химическим свойствам основных ботанических видов натурального меда с различным сроком хранения;
5) методологию комплексной товароведной оценки качества меда по совокупности органолептических и физико-химических показателей;
6) технологическое решение модификации натурального меда путем обогащения фруктозой с целью предотвращения кристаллизации при длительном хранении и улучшения его потребительских свойств;
7) совокупность экспериментальных данных по проектированию пищевых продуктов с заданными потребительскими свойствами на основе ВФС и высокофруктозного меда, полученных по новым технологиям.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных результатов обеспечивается значительным объемом проведенных экспериментальных работ с применением стандартных и специальных современных методов физико-химического анализа, математической обработкой результатов эксперимента, которые базируются на общепринятых выводах фундаментальных и прикладных наук, согласованностью новых положений с уже известными положениями и современными тенденциями товароведения, пищевой химии и технологии, подтверждается апробацией, промышленными и практическими внедрениями, производственными опытами и публикациями основных результатов работы в рецензируемых печатных изданиях.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
- 1-й, 2-й, 3-й и 4-й Межведомственных научно-практических конференциях «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров» (Москва, 2008, 2009, 2010 и 2011 г.г.), 5-й Межведомственной научно-практической конференции «Товароведение и вопросы длительного хранения продовольственных товаров» (Москва, 2013 г.);
- 5-й ежегодной Международной практической конференции «Сахар – 2005. Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса» (Москва, 2005г.); 6-й ежегодной Международной практической конференции «Сахар – 2006. Повышение эффективности работы сахарной промышленности» (Москва, 2006г.); 7-й Ежегодной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии сахарного производства» (Москва, 2007 г.); 8-й Ежегодной научно-практической конференции «Сахар-2008. Совершенствование технологий переработки сырья для сахарной промышленности, освоение новых видов оборудования и компьютеризации производства, повышение качества» (Москва, 2008 г.); 9-й ежегодной Международной научно-практической конференции «Сахар 2009. Новое в технологии сахара, оборудовании и компьютеризации» (Москва, 2009 г.);
- научно-технической конференции «Молодые ученые – пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (Москва, 1999 г.); 3-й, 4-й, 5-й Международных конференциях-выставках «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» (Москва, 2005, 2006, 2007 г.г.); 5-й Международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2007 г.); Общеуниверситетской научной конференции молодых ученых и специалистов (Москва, МГУПП, 2009 г.);
- 6-й, 7-й, 8-й и 9-й Международных молодежных конференциях «Биохимическая физика» (Москва, 2006, 2007, 2008, 2009 г.г.);
- научно-практическом семинаре «Практические аспекты исследования и мониторинга качества сырья и продуктов питания для обеспечения продовольственной безопасности России» (Москва, 2010 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 104 печатные работы, в том числе 19 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК, 31 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа иллюстрирована 144 рисунками и 70 таблицами, изложена на 408 страницах основного текста, список использованной литературы включает 365 наименований, из них 150 – иностранных авторов.
Особенности инверсии сахарозы, способы обогащения фруктозой инвертных сиропов
При инвертировании сахарозы образуются фруктоза и глюкоза, которые под действием температуры и ионов водорода или гидроксила каталитически разлагаются до органических кислот, а также вступают в реакцию с аминосоединениями (меланоидиновая реакция) и другие реакции.
В соответствии с теорией термохимической устойчивости сахарозы в растворах, разработанной А.Р. Сапроновым, Р.А. Колчевой и Л.А. Сапроновой [128, 130, 131], константа скорости гидролиза в интервале рН от 0 до 12 и температур от 20 до 100 С может быть рассчитана по уравнению тг_ IQ 16,806-5666,1 II T-pH+ . Q20, 1676- 9064,69/ Т- 0,017053 T + 0,57 рН ,, _ \ где, К - константа скорости реакции гидролиза сахарозы, мин _; Т -температура по шкале Кельвина.
В кислой среде (рН 0...7), где влияние гидроксильных ионов на гидролиз сахарозы незначительно, их вклад можно не учитывать. Тогда в логарифмической форме предыдущее уравнение можно переписать в виде lg К = 16,806-(5666,17/Т)-рН. (1 -4)
В щелочной среде (рН 8,5 ... 12,0), преобладает действие гидроксильных ионов, и исходное уравнение примет вид lg К = 20, 1676 - (9064,69/ Т) - 0,017053 Т + 0,57 рН. (1 - 5)
Характерной особенностью зависимости К от рН является достижение минимального значения в интервале рН 7,8 ... 8,3. С увеличением температуры это значение рН перемещается из слабощелочной в нейтральную зону. В интервале рН 7,2 ... 8,5 сахароза наиболее устойчива. Например, при рН 7,8 и температуре 90 С за 60 мин разложится всего лишь 0,0034 % сахарозы. При рН минимального значения К каталитическое действие ионов водорода и гидроксила на сахарозу одинаковое, поэтому данный узкий участок значений рН называют изокаталитической точкой. Из приведенных уравнений следует, что в кислой среде с увеличением концентрации водородных ионов в десять раз (рН уменьшается на единицу) константа скорости гидролиза сахарозы увеличивается тоже в десять раз. В щелочной среде при десятикратном увеличении концентрации гидроксильных ионов (рН увеличивается на единицу) константа скорости реакции возрастает в 3,7 раза.
Энергия активации гидролиза сахарозы в кислой среде - 108,5 кДж/моль, в щелочной - 90 кДж/моль, она не зависит от рН, температуры, концентрации сахарозы и вязкости раствора. Это означает, что с ростом температуры на 10 С скорость реакции гидролиза увеличивается в несколько раз при прочих равных условиях.
При дальнейшем термохимическом разложении моносахаридов (глюкозы и фруктозы) сохраняются те же закономерности, что и при разложении сахарозы, т.е. они, как и сахароза, подчиняются теории кислотно-основного катализа. Только изокаталитическая точка реакции разложения моносахаридов находится в кислой среде при рН 3...4.
В изокаталитической точке константа скорости разложения фруктозы в десять раз больше, чем глюкозы, а с повышением щелочности среды до рН 8,5 эта разница снижается до нуля. В интервале рН 8...И константы скорости разложения глюкозы и фруктозы близки, что объясняется усилением эпимеризации моносахаридов в щелочной среде (эпимеризаия -это взаимопревращение глюкозы и фруктозы). Предполагается, что в средах с рН 8 устанавливается равновесие между реакциями распада и эпимеризации и разложение гексоз происходит при постоянном массовом соотношении глюкозы и фруктозы, близком к 2,5. В сильнощелочных средах доля глюкозы в инвертном сахаре возрастает до 90 %, а доля фруктозы снижается до 10 %, что также связано с меньшей химической стойкостью фруктозы по отношению к глюкозе.
Энергия активации разложения моносахаридов (кДж/моль) в средах с рН 3 составляет: для глюкозы - 138,2; фруктозы - 93; инвертного сахара -121,3; в средах с рН 4 - соответственно 110,8; 77,7 и 96,1. Рассматривая реакции разложения сахарозы и моносахаридов в целом, можно сделать вывод, что если нейтральная и слабощелочная среды являются наиболее благоприятными для сохранения сахарозы, то глюкоза, фруктоза и инвертный сахар в этих средах разлагаются с большей скоростью. Например, при рН 7 скорость разложения сахарозы близка к минимальной, а у глюкозы она в 250 раз больше, чем в ее изокаталитической точке (рН 3,5).
В настоящее время в пищевой промышленности растет спрос на частично или полностью инвертированные сиропы, которые обладают более мягким вкусом, меньшей вязкостью и большей растворимостью сахара, чем сахарозные сиропы. Например, при 20 С содержание СВ в насыщенном растворе сахарозы 66,6 %, а в сиропе при соотношении инвертного сахара к сахарозе 70:30 — 79,5 %, т.е. воды в инвертированном сиропе на 40 % меньше [128]. Для инвертирования сахарозы используют кислоты лимонную [61], винную [16, в производстве искусственного меда из сахарозы], молочную, янтарную [117], соляную [57], но более предпочтительно использовать серную кислоту [115, 128], т.к. ее остатки можно легко перевести карбонатом кальция или бария в осадок в виде соответствующих сульфатов: H2S04 + СаСОз = CaS04+ С02 + Н20 (1-9)
Скорость инвертирования сахарозы растет с увеличением концентрации ЬҐ -ионов, а изокаталитическая точка инвертного сахара находится при рН 3...4, поэтому режим инвертирования сахарозы выбирают исходя из этих положений. Например, чтобы инвертировать сахарозу на 50 % с минимальным разложением получаемых глюкозы и фруктозы следует выбрать рН 3,1 и «мягкую» температуру 80 С, при этом процесс длится 140 мин [128]. Более быстрого гидролиза сахароза может достичь, снижая рН среды или повышая температуру. Так, при рН 3,0 и при температуре 105 С за 40 мин проинвертирует примерно 93 % сахарозы и разложится менее 0,07 % образовавшегося инвертного сахара [58]. При проведении гидролиза следует иметь ввиду, что фруктоза значительно менее термостабильна, чем глюкоза. Поэтому длительные технологические стадии (например, уваривание сиропов) проводят при температурах не выше 60 С, а для длительного хранения фруктозосодержащих сиропов их рН доводят до 3...4 [38, 62, 128]. По этой же причине инверсию сахарозы проводят не полностью, т.к. возможны потери фруктозы в составе инвертного сиропа
Фруктоза является важной составной частью пищи людей и животных, хорошо усваивается организмом без вредных воздействий или побочных явлений. Однако фруктоза не встречается в чистой форме, а только либо в смеси с глюкозой (пчелиный мед) или с глюкозой и сахарозой, либо в виде химических соединений в сахарозе (свекловичный или тростниковый сахар), а также в таких полисахаридах как инулин (солодка, цикорий, топинамбур).
Применение фруктозы в чистом виде стало возможным благодаря разработке фирмой Laevosan-Gesellschaft (Австрия) промышленного метода получения фруктозы на базе инулина из клубней цикория. Затем в качестве сырья для выработки фруктозы вместо цикория стали использовать сахарозу [120, 192].
Дальнейшее развитие промышленное производство фруктозы из сахарозы получило благодаря применению ионообменной технологии в методе, разработанном в Финляндии фирмой «Суомен Сокери». В этом методе гидролиз сахарозы в инвертный сахар проводится при помощи ионообменной смолы. Разделение гидролизата на отдельные компоненты затем осуществляется хроматографическим методом на полистиролсульфонатной катионообменной смоле в Са-форме. Этой же фирмой разработан и метод непосредственной кристаллизации фруктозы из водного раствора, что также привело к значительному снижению затрат на производство фруктозы [53].
Эту же технологию [189] разделения глюкозы и фруктозы используют для получения высокофруктозных сиропов на основе переработки крахмала, исходя из ГФС-42.
Технология производства ВФС включает следующие операции. Осветленный глюкозно-фруктозный сироп с содержанием фруктозы 42 % направляется на упаривание. Часть концентрированного сиропа смешивается с большим количеством неконцентрированного сиропа, и эта смесь с концентрацией на уровне 60 % СВ используется для обогащения фруктозой. Т.к. для процесса хроматографического разделения требуется высокая чистота, сироп обрабатывается сильной катионообменной смолой для полного удаления остаточных ионов магния (соли магния используются для активации глюкоизомеразы). В результате хроматографического разделения получают глюкозную фракцию, которая в основном возвращается на изомеризацию. Ее также можно использовать для производства глюкозы.
Способ проведения высокоэффективной преддефекации
Задача получения пищевого сиропа непосредственно из диффузионного сока предполагает максимально достижимый эффект осаждения несахаров на преддефекации, а также минимизацию пептизации осадка в процессе последующих технологических операций.
Поставленная цель возможна при отделении преддефекационного осадка. Этой задаче посвящено много научных исследований [21, 42, 43, 63, 105, 108, 111, 151, 156]. Основное затруднение связано с возможностью отделения преддефекационного осадка в связи с высокой степенью его гидратации.
Предложенный способ пересатурирования [127, 196] облегчает процесс отделения осадка, но приводит к недоосаждению коллоидов в связи со значительной концентрацией иона гидрокарбоната, который вытесняет противоионы ВМС из плотного и диффузного слоев мицелл преддефекационного осадка.
Эффективность отделения связывали с возвратами суспензии сока II сатурации, что также не привело к значительному улучшению фильтрационных свойств [105, 111, 179].
Наиболее эффективным представляется способ раздельной сатурации преддефекованного осадка и декантата диффузионного сока [1, 3, 43, 49]. Но с учетом того, что объем осадка достигает 70 % об., потери качества, связанные с пептизацией, становятся неприемлемыми. Несахара, недоосажденные в процессе преддефекации, оказывают отрицательное влияние на показатели очищенного сока [184, 185].
Для получения низкогидратированного преддефекационного осадка предложен способ, позволяющий эффективно отделять осадок методом отстаивания. Способ заключается в использовании эффекта массовой дестабилизации коллоидов преддефекационного осадка путем введения в него расчетного количества полианионов.
Исследования проводили на модельных растворах диффузионного сока в лабораторных условиях. Диффузионный сок получали двойной водной экстракцией по методу Силина. В качестве полиэлектролита использовали гидролизат сушеного жома, содержащий полигалактуроновую кислоту. Расход полиэлектролита изменяли в пределах от 0,003 до 0,055 % СВ гидролизата к массе сока. В полученных осадках определяли коэффициент скорости отстаивания в сравнении с контрольным опытом. Результаты приведены в табл. 2.2 и нарис. 2.3.
Как видно из данных таблицы 2.2. и рис. 2.3. кривая влияния расхода полиэлектролита на эффективность отстаивания имеет максимум, находящийся в области 0,01 - 0,02 % гидролизата к массе диффузионного сока, свидетельствующий об отрицательном влиянии избыточного количества полиэлектролита на качество осаждения.
Для подтверждения эффективности предложенного способа в лабораторных условиях проведена сравнительная очистка диффузионного сока по предложенному способу и типовой схеме. Очистке подвергалось 400 см3 диффузионного сока с суммарным расходом извести на преддефекацию 0,4 % СаО к массе сока. После отделения преддефекационного осадка декантат и предцефекационный осадок подвергали раздельной дефекосатурации, после фильтрации оба фильтрата объединяли и подвергали II сатурации. Общий расход извести на очистку составил 2,5 % СаО к массе свеклы. При очистке по предложенному способу в преддефекованный сок вводили гидролизат сушеного жома в количестве 0,02 % СВ к массе сока, а преддефекацию проводили в два этапа, отдельно вводя ХАИП и КХАИП. Результаты очистки приведены в табл. 2.3.
Как видно из табл. 2.3. предложенный способ позволяет существенно улучшить качество очищенного сока, даже полученного из свеклы пониженного качества.
Новая технологическая схема очистки диффузионного сока была уточнена серией отдельных опытов. Эксперимент предусматривал отделение суспензии преддефекованного сока отстаиванием и раздельную дефекостаурацию суспензии при рН 10,8 - 11,2 и декантата при рН 9,2 - 9,4. Экспериментальные данные по изучению влияния расхода извести на очистку декантата и суспензии преддефекационного осадка приведены соответственно в табл. 2.4 и 2.5.
Как видно из табл. 2.4 рациональным расходом извести на очистку декантата следует признать 1,2 % СаО к массе декантата или 1,2 % к массе свеклы с учетом того, что декантат составляет 85 % к массе преддефекованного сока. Из данных таблицы 2.5 рекомендовано признать рациональным расход извести равной 4,0 % СаО к массе суспензии осадка (0,72 % к массе свеклы). Из данных табл. 2.4 и 2.5 видно, что предложенный способ с отделением преддефекационного осадка позволяет получить высокоочищенный диффузионный сок при общем расходе извести на очистку 2,2 - 2,4 % СаО к массе свеклы.
Основные закономерности разделения фаз в водно-ацетоновых растворах эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы. Фазовая диаграмма системы
Т.к. полностью инвертированный сахарный сироп с физико-химической точки зрения представляет собой раствор глюкозы и фруктозы в эквимолярном соотношении с небольшим остатком сахарозы (несколько процентов от СВ), то в качестве модельного раствора для подробного изучения был выбран раствор эквимолярнои смеси глюкозы и фруктозы в воде.
Оказалось, что в логарифмических координатах зависимость растворимости эквимолярнои смеси от содержания воды в водном ацетоне также представляет собой отрезок прямой (рис. 3.6). Первичные данные определения растворимости эквимолярнои смеси в водном ацетоне методом титрования ацетоном приведены в табл. 3.10.
На рис. 3.6 видно, что в логарифмических координатах в изученном диапазоне концентраций воды в водно-ацетоновом растворителе график растворимости эквимолярной смеси не имеет характерного для фруктозы перелома (см. рис. 3.3 и рис. 3.11), т.е. является строгой линейной зависимостью, которая определяет параметры а и b в уравнении растворимости.
Как было уже отмечено, показатель степени равен среднему числу молекул в гидратной оболочке сольватированного комплекса углевода в растворе. В данном случае он примерно равен 2,5 , что, возможно, указывает на образование устойчивого бинарного сольватированного комплекса одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы в растворе, которые совместно ассоциируют вокруг себя 5 молекул воды. Здесь интересно отметить, что среднее число молекул воды, приходящееся на одну молекулу фруктозы в ее насыщенном водном растворе при 20 С, который содержит 80% СВ, равно также 2,5. Это означает, что в соответствующем сольватном (гидратом) комплексе растворенной фруктозы содержится не более 2,5 молекул воды на одну молекулу фруктозы, что согласуется с b = 2,313 (см. табл. 3.8).
Предположение об образовании бинарного молекулярного комплекса между глюкозой и фруктозой подтверждается отсутствием перелома на прямой, описывающей растворимость эквимолярной смеси в логарифмических координатах. Т.е. эквимолярная смесь ведет себя как индивидуальное химическое вещество с характерными параметрами растворимости а и Ь, которые в свою очередь равны константе равновесия процесса обратимой растворимости комплекса и числу молекул воды гидратной оболочки в нем.
С технологической точки зрения важно определить не только соответствующие концентрации углеводов в верхнем и нижнем слоях, но также и их абсолютные количества, которые при определенных их концентрациях пропорциональны объему фаз (объему нижней фазы-Унижн или объему верхней фазы - VBepx). В связи с этим были проведены эксперименты по определению изменения объемов фаз при разбавлении ацетоном исходных водных растворов эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы с различными значениями параметра х = Мэ/Мв, где Мэ - масса эквимолярной смеси, М„ - масса воды в исходном растворе. Оказалось, что для х = 0,4-0,6 при разбавлении ацетоном образование тонкого слоя второй фазы происходит внизу смеси, а для х = 0,7-1,4 - вверху (см. рис. 3.7 и рис. 3.8).
Обращает на себя внимание резкое расслоение исходной смеси при добавлении ацетона после помутнения, которое наблюдается при х = 0,6 и х = 0,7, хотя в других случаях изменение объемов верхней и нижней фазы происходит постепенно. Объяснение этому явлению, а также наличию упомянутых двух областей изменения х, в которых расслоение происходит с образованием тонкого слоя второй фазы, либо внизу, либо вверху, будет дано позже при анализе фазовой диаграммы системы.
Первым этапом количественного исследования закономерностей перераспределения моносахаридов между фазами явилось определение суммарной доли углеводов Му/Мэ, перешедших в верхнюю фазу смеси при заданном содержании воды (10 см3) и различных содержаниях ацетона (15, 20 и 30 см3) как функции параметра х (см. рис. 3.9).
Определение массы углеводов в верхнем слое (фазе) проводили методом высушивания этого слоя до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 104-106 С в течение 2-4 часов до появления слабого карамельного запаха. Предварительно верхний слой высушивали в открытом стеклянном стакане в вытяжном шкафу при комнатной температуре в течение 7 -10 суток до образования густого сиропа без характерного запаха ацетона. Т.к. в этой серии экспериментов старались не допустить разложения термически неустойчивой фруктозы вследствие длительной сушки, то полученные результаты слегка завышены на 5-10 % из-за небольшого количества остаточной влаги. Более точные результаты были получены позже с применением метода ВЭЖХ (см. табл. 3.12 и 3.16).
Из предварительных данных следует, что при увеличении концентрации эквимолярнои смеси в исходном растворе падает не только относительная доля углеводов, перешедших в верхний слой, а также их абсолютное количество Му (см. табл. 3.11), что резко отличает избирательную (специфическую) экстракцию от обыкновенной, для которой характерно увеличение абсолютных количеств и концентраций экстрагируемых компонентов в обеих фазах при большем их содержании в системе в целом при фиксированном количестве воды и экстрагента.
Масса ацетона в исходной смеси Ма рассчитывалась из его объема Va и плотности, равной 0,791 г/см .
Для параметра х = 0,6 и 0,7 обнаружена еще одна особенность избирательной экстракции: уменьшение содержания углеводов в верхней (более богатой ацетоном) фазе при увеличении объема добавленного ацетона от 20 см3 до 30 см3. Следует отметить здесь принципиальное отличие избирательной экстракции, которая заключается в том, что в отсутствии «экстрагируемого» компонента (в данном случае эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы) расслоение вообще не происходит, т.к. ацетон неограниченно смешивается с водой. Более того, углеводы в абсолютно безводном ацетоне нерастворимы. Поэтому с обычной точки зрения в предлагаемом методе обогащения сиропов фруктозой добавляемый ацетон нельзя назвать экстрагентом, а исходный водный раствор углеводов нельзя называть «маточным» раствором.
В связи с указанными особенностями в настоящей работе мы используем термин «избирательная (специфическая) экстракция» для описания предлагаемого технологического приема, т.к. в литературе не было обнаружено другого подходящего названия для данного явления.
Для параметра х = 0,8-1,4 наблюдается незначительное увеличение доли углеводов, перешедшей в верхнюю фазу из смеси при увеличении добавленного ацетона в два раза от 15 до 30 см3, что на первый взгляд также неожиданно.
Интересно, что для х = 0,8 количество углеводов, перешедшее в верхнюю фазу, практически одинаково в случаях добавления в исходный раствор 15 и 30 см3 ацетона. Тем не менее для этой группы исходных растворов характерно увеличение доли перехода углевода в верхнюю фазу при добавлении ацетона в то время, как для х = 0,4 - 0,7 характерно уменьшение такой доли.
Вторым этапом исследования явилось составление детального материального баланса процесса для различных исходных растворов эквимолярной смеси, что важно для составления принципиальной технологической схемы получения высокофруктозных сиропов и для построения фазовой диаграммы (диаграммы состояния) системы эквимолярная смесь - вода - ацетон. С этой целью определялись концентрации ацетона, глюкозы и фруктозы в нижней и верхней фазах. Содержание ацетона определяли с помощью гидрохлорида гидроксиламина по известной методике [76]. Точное содержание моносахаридов определяли методом ВЭЖХ с семикратным повторением анализа каждой пробы, что позволило достичь относительной точности определения 0,2 % (см. табл. 3.12 и 3.14). На основе данных таблицы 3.12 были рассчитаны параметры уравнения растворимости Р и С для верхней и нижней фаз (табл. 3.13).
Полученные результаты подтвердили предположение о том, что в верхнем слое выше концентрация ацетона во всех опытах, которые отражены в табл. 3.12. Относительное содержание фруктозы в верхней фазе повышается при увеличении параметра х, хотя абсолютное суммарное содержание глюкозы и фруктозы при этом уменьшается.
На примере измерения относительной доли фруктозы f = Мф/Му оценим погрешность хроматографического анализа при доверительной вероятности р = 0,95 и р = 0,99. Среднее арифметическое значение fcp находили из семи параллельных измерений.
Новые рецептуры газированных безалкогольных напитков на основе высокофруктозного сиропа
При разработке рецептур газированных безалкогольных напитков старались придать им высокие органолептические и физико-химические свойства. Исходили из того, что напиток должен иметь характерный, полный вкус и сильно выраженный свойственный аромат, хорошее насыщение диоксидом углерода, высокую стойкость и пищевую ценность.
Пищевую ценность напиткам придают, в основном, углеводы, органические кислоты, минеральные вещества и витамины. Углеводы содержатся в сырье, используемом для приготовления напитков: сахаре, ГФС, соках, морсах и т. д. При производстве безалкогольных напитков из органических кислот в основном используют лимонную кислоту для придания им кислого вкуса. Витамины в большинстве своем не образуются в организме, но они важны как биологически активные вещества, регулирующие обмен веществ. Витамины также сдержатся в сырье, а могут быть внесены специально.
Для придания большей пищевой ценности напиток «Вишневый без сахара» был получен на основе вишневого сока с содержанием 11,4 г сухих веществ в 100 см3 сока. Напиток «Грушевый без сахара был разработан на основе ароматизатора «Дюшес» фирмы «Esarame». Чтобы увеличить стойкость напитков в них добавили консервант - бензоат натрия. На напиток «Вишневый без сахара» также были разработаны Технические условия (приложение 8). Рецептуры напитков приведены в табл. 4.3 и 4.4 и в приложении 5 и 6.
Перед определением вкуса и аромата безалкогольных напитков их доводили до температуры 10 - 14 С.
Внешний вид, цвет напитков определяли визуально в чистом сухом цилиндре или стакане вместимостью 250 см3. Оттенок и интенсивность окраски оценивали на соответствие требованиям, указанным в рецептурах.
Аромат и вкус напитков определяли органолептически после налива пробы в дегустационный бокал при температуре 10 - 14 С.
Обработку результатов проводили аналогично п. 4.1.
Результаты дегустационной оценки напитков оформлены протоколом (приложение 7) и приведены в таблице 4.6.
Таким образом, оба напитка получили оценку «Отлично». В основном снижение баллов можно объяснить недостаточно полным насыщением двуокисью углерода, т. к. для этого в лабораторных условиях не использовали специального сатурационного оборудования, а купажный сироп разбавляли сильногазированной питьевой водой.
В продукции безалкогольной промышленности контролируют: массовую долю сухих веществ, диоксида углерода, кислотность, стойкость, массовую долю спирта.
Наиболее важным показателем качества безалкогольных напитков является стойкость. Стойкость определяли по ГОСТ 6687.6 - 88 [36]. Для этого две бутылки, отобранные в день розлива, помещали в термостатируемый шкаф. Термостатирование проводили при температуре 20±2 С. Бутылки с напитками ежедневно просматривали на фоне источника света на уровне глаз, на расстоянии 40 — 50 см, и визуально определяли образование помутнения или осадка. Для прозрачных напитков стойкость измеряется в сутках с момента розлива до образования помутнения или осадка. Стойкость напитков с консервантом должна быть не менее 20 суток.
Массовую долю сухих веществ определяли по ГОСТ 6687.2 - 90 [33] рефрактометрическим методом. Сначала необходимо освободить газированный напиток от двуокиси углерода. Для этого 600 - 700 см напитка наливали в коническую колбу вместимостью 1000 см3 и закрыв колбу, взбалтывали в течение 20 - 25 мин. Затем напиток доводили до 20 С на водяной бане и фильтровали через вату в стеклянной воронке в чистый сухой цилиндр и определяли содержание СВ. Полную инверсию не проводили, т.к. напитки практически не содержат сахарозу. Содержание сухих веществ должно соответствовать указанному в рецептуре.
Кислотность определяли титриметрическим методом по ГОСТ 6687.4 -86 [34]. Напитки освобождали от основного количества двуокиси углерода по ГОСТ 6687.2 - 90. В коническую колбу на 250 см3 из мерного цилиндра наливали 100 см дистиллированной воды и нагревали ее до кипения. Отбирали пипеткой 10 см напитка в колбу с кипящей водой. Закрыв колбу воронкой кипятили в течении 5 мин. По окончании кипячения колбы охлаждали до комнатной температуры. Прибавляли 4-5 капель спиртованного раствора фенолфталеина и титровали раствором NaOH концентрацией 0,1 моль/дм3 до появления розовой окраски, не исчезающей в течение 30 сек. Кислотность (X) в см раствора NaOH концентрацией 1 моль/дм , израсходованного на титрование 100 см напитка вычисляли по формуле: X = (V-K-10)/A, где V - объем 0,1 моль/дм3 раствора NaOH, пошедшее на титрование, см3; К - поправочный коэффициент NaOH, А - объем напитка или сиропа, взятый на определение, см3.
Согласно ГОСТ 28188 - 89 [32] в напитках, приготовляемых на растительном сырье или на основе виноматериалов, спиртованных соков, допускается содержание спирта не более 1,2 % масс. Для напитков на водноспиртовых компонентах - до 0,5 % масс. Для других напитков доля спирта не более 0,2 %. Т.к. для приготовления напитка «Вишневый без сахара» в лаборатории использовали не спиртованный вишневый сок, то содержания спирта не определяли.
Массовая доля диоксида углерода в сильногазированных напитках должна быть не менее 0,4 %, в среднегазированных - не менее 0,3%, в слабогазированных - не менее 0,2 %. Содержание диоксида углерода также не определяли.
Физико-химические показатели анализируемых напитков приведены в таблице 4.7.
Из таблицы видно, что по всем показателям напитки соответствуют требованиям, указанным в рецептурах и нормативно-технической документации.
Таким образом, безалкогольные газированные напитки, полученные по разработанным рецептурам, обладают улучшенными потребительскими свойствами и могут быть предложены как для здорового, так и для профилактического питания.
