Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оценка перспектив производства продуктов для биокоррекции метаболистической активности с применением новых технологий 16
1.1 Мониторинг и количественная оценка свойств побочных продуктов переработки низкомасличного сырья 17
1.1.1 Состав и функциональные свойства липидов побочных продуктов переработки низкомасличного сырья 20
1.1.2 Состав и функциональные свойства белков побочных продуктов переработки низкомасличного сырья 25
1.1.3 Состав и функциональные свойства углеводов побочных продуктов переработки низкомасличного сырья 27
1.1.4 Оценка витаминного и минерального состава побочных продуктов переработки низкомасличного сырья
1.2 Опыт практического применения побочных продуктов переработки низкомасличного сырья в технологиях пищевых продуктов 31
1.3 Оценка лечебно-профилактических свойств побочных продуктов переработки низкомасличного сырья и антиоксидантов природного происхождения 33
1.4 Перспективные технологии производства пищевых продуктов 41
ГЛАВА 2. Организация эксперимента, объекты и методы исследований 49
2.1 Условия и схема проведения исследований 49
2.2 Характеристика объектов исследований 50
2.3 Методы исследований
2.3.1 Общие методы исследований 51
2.3.2 Специальные методы исследований 55
ГЛАВА 3. Обоснование компонентного состава функциональных композиций и исследование их свойств 67
3.1 Методология и практическая реализация программного про дукта для проектирования рецептурно-компонентных решений функциональных композиций 67
3.2 Изучение кинетических закономерностей процесса гидратации функциональных композиций в водной среде 78
3.3 Изучение кинетических закономерностей процесса гидратации функциональных композиций в технологических средах 87
3.4 Исследование функционально-технологических свойств функциональных композиций 91
ГЛАВА 4. Разработка технологии стабилизации показателей качества муки из жмыхов низкомасличного сырья в процессе хранения 94
4.1 Исследование влияния композиций пряных трав на изменения показателей качества муки из жмыхов низкомасличного сырья в процессе хранения. 94
4.2 Исследование влияния пищевых добавок-антиоксидантов на показатели качества муки из жмыхов низкомасличного сырья в процессе хранения 107
4.3 Исследование изменения антиоксидантной активности стабилизированных систем в процессе хранения. 117
4.4. Разработка нейросетевой системы прогнозирования свойств 121 муки из жмыхов низкомасличного сырья в процессе хранения. 4.5 Результаты апробации технологии стабилизации муки из жмыхов низкомасличного сырья и функциональных композиций в процессе хранения 123
ГЛАВА 5. Обоснование LT -технологий в производстве ассортимента пищевых продуктов биокорректирующего действия 130
5.1 Разработка методики оценки пригодности полимерных материалов для LT -обработки биокорректирующих пищевых систем 130
5.2 Обоснование режимов LT -обработки пищевых систем биокорректирующего действия при комбинировании функциональных композиций с растительным и животным сырьем 135
5.2.1 Исследование закономерностей гидратационных процессов в овощных и мясных компонентах рецептур на основе биокорректирующих функциональных композиций при LT -обработке.. 136
5.2.2 Исследование режимов гидратации круп и бобовых в процессе LT-обработки 143
5.3 Обоснование режимов LT -обработки комбинированных пищевых систем на основе функциональных композиций с учетом процессов гидратации и перераспределения влаги 147
5.4 Разработка математической модели процесса LT -обработки комбинированных пищевых систем на основе функциональных композиций 152
5.5 Разработка способа производства функциональных пищевых продуктов на основе рециркуляционных контуров движения теплоносителей 173
5.6 Полуфабрикаты и готовые блюда из растительного сырья: потребительские свойства и условия хранения 177
5.7 Влияние LT -обработки на потребительские свойства и стабильность при хранении полуфабрикатов и готовых блюд из животного сырья
ГЛАВА 6. Частные LT - технологии биокорректирующих продуктов: потребительские свойства, оценка биопотенциала 196
6.1 Разработка LT-технологии рисо-овощных смесей с применением функциональных композиций и блюд на основе их сочетания с животным сырьем 196
6.2 Разработка LT-технологии полуфабрикатов для первых блюд с применением функциональных композиций 208
6.3 Разработка LT-технологии мясных блюд с применением функциональных композиций 217
ГЛАВА 7. Исследование роли функциональных продуктов при алиментарной коррекции энергетического и липидного обменов организма 228
7.1 Исследование процесса биокоррекции энергетического обмена организма человека при применении функциональных композиций. 231
7.2 Исследование процесса биокоррекции липидного обмена организма человека при применении функциональных композиций 238
Основные выводы и результаты 250
Список литературы
- Оценка витаминного и минерального состава побочных продуктов переработки низкомасличного сырья
- Методы исследований
- Изучение кинетических закономерностей процесса гидратации функциональных композиций в водной среде
- Исследование изменения антиоксидантной активности стабилизированных систем в процессе хранения.
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема нутриентной коррекции
пищевого статуса населения отражена в Государственной политике РФ в области здорового питания (распоряжение Правительством РФ от 25.10.2010 г № 1873-р) и Комплексной программе развития биотехнологий в РФ на период до 2020 года (распоряжение Правительством РФ от 24.04.2012 г № 1853п-П8). Создавшаяся ситуация актуализирует алиментарную коррекцию физиологических состояний на основе создания пищевых продуктов с биокорректирующими свойствами путем целенаправленного поиска и применения природных биологически активных веществ (БАВ). Анализ потенциальных природных источников БАВ позволяет закрепить приоритеты за зернами и низкомасличными продуктами их глубокой переработки, в частности, жмыхами зародышей пшеницы, амаранта, льна, тыквы, благодаря устойчивому объему производства (80-95 %) в технологии соответствующих растительных масел. Ценность объектов дополнительно связана с содержанием широкого спектра БАВ в составе и доступной стоимостью. Заметим, однако, что из-за низкой стабильности этих сырьевых ресурсов при хранении, они практически не используются в пищевых системах.
Перечисленные выше жмыхи содержат в составе полноценные белки (до 30 %), пищевые волокна (до 30 %), широкий спектр витаминов (А, D, E, С, группы В, Т, К), макро- микроэлементы (Se, Zn, Mn, Mg, Ca, K, Na, Fe, P), а также значительную долю ценных масел, в которых идентифицированы особенно дефицитные 3-жирные кислоты. Проектирование состава и достижение биокорректирующих свойств продуктов питания возможно путем создания композиций на условиях взаимообогащения и ресурсосбережения с оценкой задаваемых параметров оптимизации и балансирования состава.
Стабилизация качества и поддержка заданного уровня БАВ в разрабатываемых биокорректирующих пищевых системах на всех этапах технологического процесса достигается применением антиоксидан-тов и щадящей тепловой обработки, вакуумной упаковки с использованием безопасной для здоровья человека полимерной пленки (LT-технологии - («low-temperature») с научным обоснованием условий и режимов производства.
Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие теории и практики глубокой переработки и применения низкомасличного сырья внесли Л. В. Антипова, А. Б. Вишняков, В. Н. Власов, Е. А. Гамыгин, В. И. Деменко, Л. П. Пащенко, Б. И. Пикус, В.М. Позняковский, К.К. Полянский, Н. С. Родионова, А. А. Шевцов, Л. А. Шпагина и др.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2013-2017 годы», договора о сотрудничестве № 585 от 13.01.2013 г. с ООО «Тонекс» (г. Белгород), плана госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры сервиса и ресторанного бизнеса ФГБОУ ВО ВГУИТ «Разработка ресурсосберегающих технологий хранения и переработки сельхозсырья» (№ гос. регистрации ГР 01201253867).
Цель работы. Исследование физико-химических, функционально-технологических и физиологических свойств новых биокорректиру-ющих пищевых систем на основе ресурсов низкомасличного сырья с применением щадящей термической обработки.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
провести патентно-информационный поиск в области производства функциональных, обогащенных и биокорректирующих продуктов питания;
разработать и применить методику проектирования и прогнозирования состава, качества и биокорректирующих свойств функциональных композиций (ФК) с заданным соотношением ПНЖК на основе сырьевых источников низкомасличного сырья;
обобщить результаты экспериментальных исследований определения гидратационных и функционально-технологических свойств разработанных объектов (ФК) для определения зависимости от биохимического состава и условий технологического процесса;
теоретически обосновать подходы, методы и параметры условий стабилизации ФК для увеличения сроков годности и хранимости с применением антиоксидантов и селенсодержащих пищевых добавок;
спроектировать рецептурно-компонентные решения пищевых продуктов с использованием ФК, сырья животного и растительного происхождения с учетом кинетики гидратационных свойств для обеспечения заданного уровня биологической активности нутриентов;
провести обоснованный выбор полимерных пленок и разработать метод оценки безопасности упаковочных материалов для использования в LT-технологиях биокорректирующих продуктов питания с заданным уровнем БАВ и пролонгированными сроками хранения;
разработать математическую модель процесса теплообмена для снижения потерь БАВ при контроле распределения температурного поля в продукте и оптимизации параметров LT-технологий;
оценить возможность нутриентной коррекции в опытах in vivo изменений эффективности энергетического обмена, уровня оксигенации
гемоглобина крови, биохимических показателей липидного обмена при введении в рацион биокорректирующих продуктов, содержащих ФК;
- обосновать пути рационального применения ФК в частных технологиях, разработать техническую документацию для производства ассортимента новых продуктов со сбалансированным ПНЖК-составом, направленного биокорректирующего и антиоксидантного действия, рассчитать экономическую эффективность внедрения предлагаемых технологических решений.
Научная концепция работы состоит в разработке теоретических основ создания ФК и продуктов питания стабильного качества и пролонгированного срока хранения с применением низкомасличных биоресурсов для алиментарной коррекции физиологических состояний человека.
Научные положения, выносимые на защиту.
Новые источники БАВ из низкомасличных биоресурсов.
Обоснование условий получения и стабилизации качества био-корректирующих объектов (ФК и пищевых продуктов) с применением разработанных нейросетевой системы, программного и методического обеспечения.
Закономерности изменения гидратационных, функционально-технологических свойств, качества и безопасности новых биокорректи-рующих продуктов применительно к LT-технологии.
Математическая модель оптимизации состава и условий LT-обработки биокорректирующих пищевых продуктов с заданным уровнем качества и пролонгированными сроками хранения.
Концепция и результаты исследования биокорректирующего эффекта низкомасличных биообъектов в опытах in vivo.
Научная новизна. Обобщены информационные сведения и сформирован банк данных о свойствах низкомасличных биообъектов для создания биокорректирующих продуктов питания.
Сформулирована научная концепция и обоснованы теоретические положения создания ФК и пищевых продуктов биокорректирую-щего действия со сбалансированным по ПНЖК составом, гарантированным качеством и пролонгированными сроками хранения.
Анализ кинетических характеристик гидратации биополимеров ФК и пищевых продуктов показал существование зависимости между изменением соотношений форм связей влаги, температурой и рецептурно-компонентными решениями. Анализ установленных графических зависимостей указывает на возможность регулирования и управления процессами для максимального сохранения БАВ и стабилизации качества.
Установлены закономерности изменения свойств низкомасличных биообъектов при хранении. В ходе экспериментальных исследова-
ний доказана целесообразность применения пряных трав и бинарных смесей антиоксидантов для стабилизации качества и увеличения сроков хранения. Формализация исследуемых процессов и их математическая обработка позволила оптимизировать условия и прогнозировать качество исследуемых биообъектов при хранении.
Обоснована целесообразность применения LT-технологий для гарантированного обеспечения заданных свойств: биокорректирующего действия, пролонгированных сроков хранения. Анализ закономерностей формирования профилей экспозиции температурных полей в координатах сечения позволил обосновать режимы LT-обработки пищевых продуктов различных ассортиментных групп с использованием ФК, растительного и животного сырья. Исследование качественных показателей и содержания БАВ на всех этапах технологического процесса показало гарантированное обеспечение заданных показателей готовых продуктов.
Экспериментально доказана значительная роль упаковочных материалов. В ходе экспериментальных исследований разработана методика оценки пригодности полимерных материалов для LT-обработки, а также установлено, что при вакуумировании обеспечивается безопасность продуктов на протяжении установленного срока хранения.
Предложенные новые биокорректирующие продукты питания апробированы в опытах in vivo на примере возрастных групп населения в возрасте от 18 до 65 лет. Динамика показателей липидного (концентрации триацилглицеридов, холестерина, холестерина высокой плотности, холестерина низкой плотности, индекса атерогенности) и газового (концентрация кислорода и углекислого газа в выдыхаемой газовоздушной среде, степень оксигенации гемоглобина крови) обменов объективно свидетельствует о положительном действии предложенных продуктов на показатели здоровья человека: повышение концентрации углекислого газа и понижение концентрации кислорода в выдыхаемой газо-воздушной среде, повышение степени оксигенации гемоглобина крови, снижение уровня общего холестерина, снижение концентрации триглицеридов и положительная коррекция значений коэффициента атерогенности.
Практическая значимость работы. Создан информационный банк данных природных источников БАВ из низкомасличных биоресурсов, формирующихся в отечественных технологиях производства масла для практического использования с полной характеристикой объектов;
Разработана и реализована новая методика и программный продукт для проектирования состава ФК с прогнозируемыми целевыми параметрами (свид. № 2015660193).
Экспериментально доказана и апробирована в опытно-
производственных условиях технология стабилизации свойств ФК при хранении с использованием пищевых добавок «Селексен», «Флавоцен (дигидрокверцетин)», смесей пряно-ароматических композиций, позволяющая увеличить срок годности в 6-8 раз в зависимости от условий хранения. С применением полносвязной нейронной сети разработан программный продукт (свид. № 2016619497) для оптимизации условий хранения и прогнозирования качества низкомасличных объектов и ФК в процессе хранения.
Модификация LT-обработки ФК и пищевых продуктов биокор-ректирующего действия из сырья растительного и животного происхождения показали преимущества новых технических решений: возможность применения при производстве I и II блюд, сохранность БАВ, увеличение сроков годности, стабильное качество пищевых систем.
Экспериментальные исследования in vivo доказали биокорректи-рующий эффект при нормализации липидного и газового обмена организма человека.
Разработанные технологии апробированы и внедрены на предприятиях и учреждениях ФГБОУ ВО «Воронежский институт ГПС МЧС России», ФКОУ ВО «Воронежский институт ФСИН России», ООО «Аллея Вкуса», ООО «Белая лилия», ООО «Нордис», НУПЦТИГ ФГБОУ ВО «ВГУИТ» (г. Воронеж), OOO «Вологодский комбинат хлебопродуктов» (г. Вологда).
На ФК, пищевые продукты и их производство разработан и утвержден в установленном порядке пакет технической документации (Растительная пищевая смесь (СТО-02068108-002-2016); Мелкокусковые полуфабрикаты из мяса говядины, свинины, мяса птицы в соусе (СТО-02068108-003-2016); Рисо-овощные смеси с говядиной, свининой, мясом птицы (СТО-02068108-004-2016); Плотные части первых блюд (СТО-02068108-005-2016), а также получена декларация о соответствии требованиям технического регламента таможенного союза: «Растительные смеси на основе муки или хлопьев зародышей пшеницы обжаренных серии «Фитодар» (№ ТС N RU Д-RU.АИ72.В.03294).
Новизна технических решений подтверждена 7 патентами. Заключен лицензионный договор (№ РД 0195878 от 12.04.2016) на право использования интеллектуальной собственности предприятием ООО «Созвездие-Люкс» по патенту РФ на изобретение № 2528499.
Расчетная экономическая эффективность внедрения разработанных технологий в производственную деятельность составляет 46,1 тыс. р. в год на тонну выпускаемой продукции.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 19.03.04, 19.04.04 - «Технология продукции и организация общественного питания» и 43.03.01 – «Сервис», аспирантов по направлению 19.06.01 - «Промышленная экология и биотехнологии» и включены в соответствующие лекционные курсы и практические занятия.
Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 3, 5, 8, 10, 12, 13 паспорта специальности 05.18.07 – «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и симпозиумах: (Ставрополь, 2011, 2015), (Челябинск, 2011), (Москва, 2011), (Самара, 2011), (Воронеж, 2011-2016), (Новосибирск, 2012, 2013), (Йошкар-Ола, 2012), (Ульяновск, 2012), (Могилев, 2012), (Прага, 2012), (Кемерово, 2012), (Лас-Вегас, 2012), (Брашов, 2012, 2014), (Тамбов, 2013-2015), (София, 2013), (Белгород, 2013, 2015), (Алматы, 2013), (Липецк, 2014), (Орел, 2014), (Вологда, 2014), (Краснодар, 2014, 2016), (Екатеринбург, 2015).
Результаты работы отмечены дипломами региональных, межрегиональных, всероссийских выставок «Агропром» (Воронеж, 2011), «Воронежский промышленный форум (Воронеж, 2011), «Урожай. Пищевая индустрия» (Воронеж, 2012-2014), «Пищевые ингредиенты, добавки и пряности» (Москва, 2014), «Экобиофорум Черноземья» (Воронеж, 2014), «Здравоохранение» (Воронеж, 2014-2017), «Идеаль» (Воронеж, 2014, 2015), «Expo Food Show» (Воронеж, 2015), «Выставка индустрии питания и гостеприимства» (Воронеж, 2016), «Выставка изобретений и инноваций» (Воронеж, 2016), «Мельница успеха» (Могилев, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 121 научная работа, в т. ч. 30 статей в журналах, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ (в том числе 4 статьи в журналах включенных в базу данных Scopus), тезисы 75 докладов, сделанных на конференциях и симпозиумах России и за рубежом, 4 монографии, 2 учебных пособия, 7 патентов РФ, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 592 наименований, в том числе 202 - на иностранных языках, объемом 315 страниц машинописного текста, содержит 111 рисунков и 64 таблицы. Второй том состоит из 11 приложений объемом 246 страниц.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации состоит в анализе литературных и патентных источников по проблеме диссертационного исследования, постановке эксперимента, обосновании объектов исследования, выполнении основной части экспериментальных исследований по разработке компонентного состава и технологий растительных композиций, технологий стабилизации показателей их качества в процессе хранения, а также обоснования режимов LT-технологий функциональных пищевых продуктов с оценкой их качества в лабораторных и производственных условиях, постановке и реализации опытов in vivo, в анализе и обобщении результатов исследований, их статистической и математической обработке, интерпретации с позиций естественно-научных положений, разработке программных продуктов. Автором разработана техническая документация на новые виды LT-обработанных функциональных продуктов из животного и растительного сырья, содержащих растительные композиции, проведена работа по патентованию разработок, апробации и внедрению разработанных технологий в производство.
Оценка витаминного и минерального состава побочных продуктов переработки низкомасличного сырья
Эссенциальными нутриентами в составе липидов являются полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК).
ПНЖК оказывают влияние на проницаемость биологических мембран, рецепторные и межклеточные взаимодействия, участвуют в обмене витаминов, других липидов, модулируют функции иммунной системы. Повышенное потребление ю-3 жирных кислот оказывает положительное влияние на состояние сердечно-сосудистой системы, что подтверждено экспериментальными исследованиями [34, 101, 124, 126, 149, 158, 260, 268, 358, 303, 541].
В многочисленных экспериментальных исследованиях авторов - Исаева В.А., Никонович С.Н., Оганова Р.Г., Прокопенко Л.Г. и др. установлено, что ю-3 кислоты способствуют повышению эффективности лучевой терапии и химиотерапии, оказывают замедляющее действие на развитие опухолей толстого кишечника, легких, молочной железы, снижают риск образования тромбов, снижают свертываемость крови в результате предотвращения агрегации тромбоцитов и не только понижают содержание холестерина в крови, но и нормализуют коэффициент атерогенности [124-127, 176,184, 217, 226]. В результате наличия таких веществ, как эйкозаноиды, ю-3 ПНЖК способствуют увеличению притока крови к различным клеткам, тканям, органам. Они способствуют расширению кровеносных сосудов, снижению артериальной гипертензии, обеспечивают более эффективную работу сердца, в результате чего отмечается вероятность возникновения таких заболеваний, как инфаркт миокарда, инсульт и ишемиче-ская болезнь сердца, атеросклероз [109, 124-127,156, 235, 251, 301, 304, 479].
Наличие ю-6 жирных кислот способствует интенсификации процессов регенерации тканевых клеток, что выражается в улучшении состояния кожи и волос [203, 233, 234, 306, 586]. По результатам исследований авторов - Андреевой Ю.А., Арабидзе Г.Г., Исаева В.А., Нечаева А.П. и др. получено много новых данных о влиянии ПНЖК на организм, выявлены клеточные и молекулярные механизмы их профилактического и лечебного эффектов [21,30,124-126, 205-210]. ПНЖК оказывают благоприятное воздействие при ожирении, сахарном диабете второго типа, нейродегенеративных заболеваниях, хронических воспалительных заболеваниях, глазных болезнях, некоторых онкологических заболеваниях [127, 128, 481, 483]. Имеются результаты клинических исследований, которые свидетельствуют о том, что большинство эффектов гиполипидемических препаратов - статинов - опосредовано ПНЖК [62, 63, 80, 303, 467, 468], которые снижают количество и агрегацию тромбоцитов, увеличивают время кровотечения, поэтому их образно называют «эндогенным аспирином» [124-128, 236, 237, 522, 516].
Таким образом, эссенциальные ненасыщенные жирные кислоты наряду с высокой пищевой и энергетической ценностью способны изменять функциональное состояние различных органов и систем, предупреждать развитие широкого ряда заболеваний, способствовать общему оздоровлению организма [363, 376, 515].
Одним из важнейших условий является соблюдение рекомендуемого соотношения о6 и ю-3 кислот, который для взрослого населения составляет 5-10 г/сутки и 0,8-1,5 г/сутки при соотношении 5-10:1 [186, 187, 503, 546]. По данным института питания РАМН в структуре питания населения РФ соотношение о6 и ю-3 составляет 20-30:1, таким образом, имеет место дефицит ю-3 кислот [186, 187]. Избыточное потребление жирных кислот одного класса способствует замедлению превращения кислот другого класса, сопровождающимся снижением активности и биологического действия, что отрицательно влияет на протекание окислительных процессов в организме, способствует накоплению продуктов перекисного окисления липидов [124-127, 225, 288, 289, 301, 304, 429, 475, 512, 580]. -6 жирные кислоты содержатся прак 22
тически во всех растительных маслах, -3 жирные кислоты в растительном сырье менее распространены и содержатся в отдельных видах масел [21, 156, 165, 186, 187, 301, 304, 429]. Данные таблицы 1.2 свидетельствуют о том, что наибольшие количества ю-3 кислот имеются в масле семян льна, тыквы, зародышей пшеницы, таким образом, данные растительные объекты являются наиболее перспективными для обеспечения требуемого баланса в рационе питания [186, 187, 225, 228, 241, 243, 249, 543].
Методы исследований
В отрасли организации питания основная масса сырья подвержена термической обработке, оказывающей значимое влияние на показатели качества готовой продукции. Применение тепловой обработки вызывает существенные изменения физико-химических, структурно-механических, органолепти-ческих свойств пищевых продуктов, которые в совокупности определяют степень его кулинарной готовности [180, 430-432, 517-519].
Многообразие состава и свойств пищевых продуктов применяемых в отрасли организации питания, используемых в кулинарной практике, многообразие рецептур и разнотипность оборудования обусловливают многочисленность способов тепловой обработки и широкие диапазоны ее режимов. При этом от способа, режима и продолжительности обработки зависят санитарная безопасность, органолептические показатели, пищевая и биологическая ценности, сохранность ценных биологически-активных компонентов, а также технологические потери продукции [152, 272, 283, 285, 318, 373-375, 427, 428, 524, 534].
Способы тепловой кулинарной обработки подразделяются на следующие группы: основные, позволяющие достигать степени кулинарной готовности (варка, жаренье, тушение, запекание, брезирование) и вспомогательные, способствующие его дальнейшей обработки (опаливание, бланширование, термостатирование, пассерование). Традиционная тепловая обработка пищевого сырья приводит к значительным необратимым потерям ценных биологически-активных веществ, снижению биологической ценности и потребительских характеристик продуктов питания [177, 281].
Особенностью растительного сырья является высокое содержание углеводов – свыше 70 % - моно- и олигосахаров, крахмала, клетчатки. Первичная оболочка клеток растений включает низкомолекулярную целлюлозу и низкомолекулярные фракции гемицеллюлоз, отличающихся преобладанием -1,4-связи, на которую не действуют пищеварительные ферменты человека. В основе пектиновых веществ лежат остатки галактуроновой кислоты, соединенные между собой -1,4-связями также устойчивыми к действию пищеварительных ферментов. Первичная стенка легко проницаема, что способствует переходу образовавшихся под действием ферментов низкомолекулярного пектина и воды в протоплазму клеток [172, 218, 270, 288, 356, 490].
Термическая обработка растительного сырья, содержащего значительное количество крахмала (зерновые, бобовые) выражается в основном в декс-тринизации и клейстеризации крахмала, в связи с чем, к растительным ингредиентам рецептур применяется исключительно варка [214, 317, 318, 390].
В сырье животного происхождения наиболее ценными структурными компонентами являются белки. Механическую прочность мясному сырью придает «третичная» структура белков, жесткость которой обусловлена присутствием в ней воды [278, 288, 480, 513].
Термическая обработка животного сырья обуславливает технологические потери массы в результате частичного вытапливания жира и экстракции структурных компонентов из тканей (минеральных, азотистых и безазотистых веществ, витаминов) с последующей коагуляцией, разрушением «третичной» структуры мышечных белков и выделением «вторичной» структуры, в комплексе с водорастворимыми веществами, во внешнюю воду [288, 289, 423, 465, 476, 492, 502].
В настоящее время особенно широкомасштабно развивается сегмент промышленного производства пищевых продуктов из натуральных ингредиентов, без применения искусственных улучшителей и консервантов с увеличенными сроками годности за счет применения вакуумной полимерной упаковки при термической обработке [294, 414-416, 491, 499, 520].
В Европе и США рынок полуфабрикатов различной степени готовности достиг высокого уровня развития, что позволяет производить продукты питания высокого качества и увеличенного срока годности, в том числе в нерегулируемых температурных условиях. Последнее обстоятельство особенно важно для организации питания в нестационарных полевых условиях, включая чрезвычайные ситуации, экспедиции, туризм [422, 469, 487-489, 530].
Одним из перспективных направлений развития пищевой индустрии в направлении повышения сохранности свойств термолабильных ингредиентов, является применение щадящей термической обработки сырья с предварительной вакуумной упаковкой в полимерную термоустойчивую пленку - технология Sous-vide или LТ-обработка («lowemperature – longime» [1, 263, 290-300, 301, 334, 410, 424, 446-448, 449, 498, 545, 571, 572, 578].
Creed, McIlveen с соавторами установили возможность повышения качественных показателей мясного сырья при следующих температурно-временных режимах LT- обработки говядины и свинины – 520 мин при 75 C, 75 мин при 80 C, 25 мин при 85 C. Установлено положительное влияние щадящих температурных режимов на органолептические свойства и хранимоспособность обрабатываемого мясного сырья, и их сохранность при хранении: при 2,5 С – 90 дней, при 3,3 С – 31 день, при 5 С – 10 дней, при 7 С – 5 дней [449-451]. Однако, отсутствуют данные по влиянию щадящих температурных режимов на сохранность биологически-активных веществ мясного сырья.
Изучение кинетических закономерностей процесса гидратации функциональных композиций в водной среде
При проектировании пищевых продуктов с определенными структурно-механическими характеристиками необходимо учитывать процессы перераспределения влаги в сырье при физико-химических превращениях, происходящих в результате технологического воздействия на всех этапах движения сырья, полупродуктов, продуктов [180, 301, 303, 350, 376].
ФК, благодаря содержанию в них гидрофильных высокомолекулярных соединений - белков и полисахаридов, активно проявляются важные технологические свойства, связанные с гидратацией: водосвязывающая или сорб-ционная, влагоудерживающая способность. Это позволяет прогнозировать и направленно формировать не только структурно-механические характеристики конечных пищевых продуктов на их основе, но и их хранимость. Данные обстоятельства создают предпосылки для применения разработанных ФК не только в качестве биологически-активной добавки, но и в качестве функционально-технологического фактора при производстве различных категорий продуктов питания [11, 188, 242, 278, 304, 350, 390].
Цель данного этапа исследований – изучение процессов гидратации биополимеров разработанных ФК при различной степени дисперсности, значениях активной кислотности, в различных технологических средах.
При проведении исследований количественных характеристик процесса гидратации проводилось выделение фракции нерастворимых в воде компонентов ФК, которая составила 51,0-52,5 % от содержания сухих веществ. С этой целью ФК подвергались сушке до стабилизации массы, последующему промыванию большим количеством воды и повторному высушиванию до постоянной массы [10, 11, 303, 350].
Для выявления влияния дисперсности частиц на характеристики процесса гидратации выполнен ситовой анализ отмытой и высушенной муки ФК в соответствии с ГОСТ 27560-87 «Мука и отруби. Метод определения круп ности», для исследований отобраны четыре образца различной степени дисперсности (рисунок 3.9).
Далее проводили изучение микроструктуры ФК с применением морфометрической оценки образцов на электронном микроскопе (увеличение 3,8х, зум 4х, кратность
Полученные микрофотографии подтверждают развернутую пористую структуру образцов ФК, которая оказывает существенное влияние на протекание процесса гидратации. Наличие развитой пористой структуры позволяет удерживать влагу внутренним объемом, что предполагает значительную долю капиллярно-связанной влаги. Данное обстоятельство определяет перспективность применения ФК, как водосвязывающего и водоудерживающего компонента животно-растительных систем, способствующего увеличению выхода изделий и улучшению его потребительских характеристик.
В качестве модельных образцов для исследования влияния рН на процессы гидратации исследуемыми ФК применялись: дистиллированная вода (рН 6,5), модельные растворы с различным показателем рН, приготовленные из растворов HCl и NaOH. Исследование кинетики процесса гидратации ФК проводили с применением методики, изложенной в [369].
Полученные в результате экспериментальных исследований кинетические зависимости степени гидратации в исследуемом диапазоне pH имели вид экспоненциально-возрастающей зависимости, и свидетельствовали, что период возрастающей скорости гидратации имел продолжительность – 150-200 с, после чего система характеризовалась равновесным состоянием – степень гидратации стабилизировалась и принимала постоянные значения (рисунок 3.11, таблица 3.8).
На основании анализа полученных данных установлено, что водоне-растворимая фракция ФК № 1 характеризуется ограниченным характером протекания процесса гидратации: степень гидратации i достигает предельного при данных условиях значения imax без последующего роста. Также имеет место частичное растворение отдельных компонентов ФК, что не оказывает существенного воздействия на общий характер протекания процесса [369, 301, 303, 369]. По кинетическим кривым можно сделать вывод, что лучшей сорбционной способностью обладает образец с размером частиц 1,2-1,5 мм. д е
Влияние рН обусловлено следующим механизмом: ВМС способны диссоциировать в растворах с образованием высокомолекулярного иона. В водном растворе белковую молекулу можно представить в виде биполярного иона "NH3-R-COO". В кислой среде происходит ионизация основных групп: "NH3-R-COO- + Н+ ±+ "NН3-R–СООH; в щелочной среде - кислотных групп: +NH3-R-COO– + ОН– t; NH2-R–СОО– + Н2О. В первом варианте заряд макроиона положительный, во втором - отрицательный. Одноименно заряженные участки макромолекулы отталкиваются, предотвращая ее сворачивание в глобулу, что способствует проникновению молекул растворителя внутрь матрицы ВМС с последующей гидратацией. Наименьшая степень гидратации белков наблюдается в изоэлектрической точке (ИЭТ), которая характеризуется одинаковым количеством диссоциированных основных и кислотных групп. В данной точке возникает притяжение участков макромолекулы друг к другу с последующим сворачиванием полимера в глобулу, что замедляет процесс гидратации [303, 369].
Исследование изменения антиоксидантной активности стабилизированных систем в процессе хранения.
Результаты, представленные на рисунках 4.20-4.23 подтверждают выше установленную эффективность применения смесей пряных трав и пищевых добавок в качестве ингибиторов окислительных процессов, иллюстрируют наличие высокого уровня антиоксидантной активности обработанных образцов муки из жмыхов низкомасличного сырья после 8 недель их хранения в нерегулируемых условиях, что подтверждает возможность направленного формирования антиоксидантных свойств продуктов на основе комбинирования исследуемых объектов.
Установлено, что антиоксидантная активность не обработанных образцов из муки жмыхов растительного сырья в процессе 2 месяцев хранения снизилась в 1,8-2,2 раза и составила 4-5 мг/дм3. Смеси пряных трав обеспечили уровень антиоксидантной активности в конце хранения 8,5-10 мг/дм3, что на 1,5-3,0 мг/дм3 выше по сравнению с исходным уровнем данного показателя исследуемых жмыхов. Наиболее высокими значениями антиоксидант-ной активности обладают смеси пряных трав III и IV, которая составляет 9,7 и 10 мг/дм3 соответственно.
Применение пищевых добавок «Селексен», «Флавоцен (дигидроквер-цетин)» и их смеси более эффективно, поскольку позволяет обеспечить уровень антиоксидантной активности по окончании хранения 11-18,5 мг/дм3, что превышает значения данного показателя в исследуемых объектах на начало хранения в 3,5-6,5 раза.
Полученные результаты также подтверждают выдвинутую гипотезу о целесообразности применения композиций пряных трав и пищевых добавок в качестве антиоксидантов при введении в растительное сырье с целью пролонгирования сроков их годности, формирования дополнительных антиокси-дантных и обеспечения сохранности биокорректирующих свойств, обусловленных наличием ПНЖК в течение не менее 8 недель при 20-22 оС и 24 недель при 4-6 оС.
На следующем этапе экспериментальных исследований была разработана нейросетевая система прогнозирования свойств муки из жмыхов низкомасличного сырья в процессе хранения с учетом многофакторности исходных параметров процесса хранения. Нейросетевая система (язык программирования Python 3.5, Приложение Б) [322] предназначена для статистической обработки результатов экспериментальных данных, включающих условия хранения исследуемого растительного сырья, а также критический параметр - значения пере-кисного числа, являющегося показателем интенсивности окислительных процессов в объекте. Исследуемая исходная информация включает в себя следующие показатели: исходные значения перекисного числа объекта (КОЕ/г); влажность объекта (%), температура хранения (oС), относительная влажность окружающего воздуха (%), вид и концентрация стабилизатора (% мас.). Процесс оптимизации условий хранения и прогнозирования динамики изменения перекис-ного числа заключается в анализе массива данных, а также в построении и обучении на их основе нейронной сети, использующейся в дальнейшем для выявления зависимостей между значениями перекисного числа и условиями хранения. Полученные коэффициенты нейронной сети представлены на рисунке 4.24.
Результатом работы программного продукта является графическое отображение трехмерных зависимостей перекисного числа от показателей температуры и относительной влажности окружающей среды, а также пере-кисного числа от показателей влажности продукта и концентрации стабилизатора при фиксации остальных показателей. На рисунке 4.25 представлен результат работы нейронной сети на примере зависимости y(x3, x4) с зафиксированными входными параметрами (x2=5 %, x6=0,01692 %), в качестве стабилизаторов показателей качества в процессе хранения принята бинарная смесь пищевых добавок «Флавоцен (дигидрокверцетин)» и «Селексен» в оптимальном соотношении.
Разработанная математическая модель позволяет с высокой точностью получать значения оптимальной концентрации стабилизирующей смеси в зависимости от конкретных условий – исходных значений перекисного числа, влажности объекта, температуры и относительной влажности окружающей среды, а также оптимизировать режимы хранения в контролируемых средах, что позволит обеспечить процесс хранения функциональных композиций с максимальной сохранностью их биокорректирующих агентов (ПНЖК) и формированием дополнительных антиоксидантных и селенирую-щих свойств в производственных масштабах.