Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 16
1.1 Современное состояние распространения диабета в России и мире. Анализ факторов риска 16
1.2 Причины сахарного диабета I и II типов 18
1.3 Современное состояние распространения сердечно-сосудистых заболеваний 21
1.4 Диетотерапия при сахарном диабете 23
1.5 Характеристика сырья 28
1.6 Обзор направлений применения топинамбура 38
1.7 Обоснование выбора заменителя кофе как объекта разработки 46
1.8 Исследование устойчивости топинамбура в процессе хранения 53
1.9 Исследование возможности низкотемпературной холодильной
обработки топинамбура 59
2 Объекты и методы исследований 66
2.1 Схема проведения исследований 66
2.2 Объекты исследований 68
2.3 Методы исследований 71
2.3.1 Органолептические и физико-химические методы исследований 71
2.3.2 Расчет биологической ценности заменителя кофе на основе аминокислотного состава 77
2.3.3 Оптимизация параметров процесса сушки топинамбура на основе математического моделирования 79
2.3.4 Расчёт теплофизических параметров процесса низкотемпературной холодильной обработки топинамбура 83
2.3.5 Методика оценки биологической эффективности продукта 88
3 Результаты исследований и их обсуждение
3.1 Обоснование выбора топинамбура в качестве сырья для производства заменителя кофе 89
3.2 Исследование химического состава топинамбура Калининградского региона 95
3.3 Обоснование процесса низкотемпературной холодильной обработки как способа низкотемпературного консервирования топинамбура 100
3.3.1 Обоснование способа низкотемпературной холодильной обработки топинамбура 100
3.3.2 Тепловой расчёт процесса низкотемпературной холодильной обработки топинамбура 107
3.4 Обоснование технологических параметров процесса производства заменителя кофе 111
3.4.1 Исследование влияния процесса автоферментации на качество готового продукта 111
3.4.2 Определение оптимальных параметров процесса сушки топинамбура 120
3.4.3 Определение параметров процесса обжаривания высушенного материала 124
3.5 Исследование качественных показателей заменителя кофе в процессе хранения для обоснования сроков годности 126
3.6 Технология производства заменителя кофе из топинамбура 130
3.7 Оценка пищевой и биологической ценности заменителя кофе «Bietola» 134
3.7.1 Оценка пищевой ценности заменителя кофе «Bietola» 134
3.7.2 Оценка безопасности заменителя кофе «Bietola»
3.8 Оценка биологической эффективности заменителя кофе «Bietola» 145
3.9 Промышленные испытания разработанной технологии производства заменителя кофе из топинамбура 147
3.10 Оценка экономической эффективности технологии 149
Заключение 151
Список сокращений 155
Список использованных источников 156
- Диетотерапия при сахарном диабете
- Расчет биологической ценности заменителя кофе на основе аминокислотного состава
- Обоснование процесса низкотемпературной холодильной обработки как способа низкотемпературного консервирования топинамбура
- Оценка биологической эффективности заменителя кофе «Bietola»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Сахарный диабет – быстро прогрессирующее заболевание. По данным ВОЗ в РФ сахарным диабетом страдает 9,6 млн. человек. К 2025 г. эта цифра может увеличиться до 10 млн. В Калининградской области в 2014 г. было зарегистрировано более 20 тысяч больных, ежегодный статистический прирост заболевших - 6-8 %. По данным Международной Федерации Диабета (2013 г.), в настоящее время в мире сахарный диабет диагностирован у 382 млн. человек, при этом имеется неуклонная тенденция к росту заболеваемости. Прогнозируется, что к 2035 г. общая численность больных сахарным диабетом увеличится на 55 % и составит 592 млн. человек [IDF, 2013], при этом более 90 % будут иметь диабет II типа. Поэтому постоянно растет потребность в производстве соответствующих продуктов питания для больных сахарным диабетом.
Функциональные свойства продуктов определяются комплексом физиологически активных составляющих, оказывающих эффект на процесс обмена веществ в организме человека при систематическом употреблении в количествах не менее 15 % суточной потребности (ГОСТ Р 52349-2005) Однако производство таких продуктов в нашей стране развито в недостаточной степени. Одной из проблем, стоящих перед современной биотехнологией, является разработка технологий переработки возобновляемого, в частности, растительного сырья с получением БАВ. Развитие рынка продуктов функционального назначения способствует решению проблемы улучшения рационов диабетического, лечебно-профилактического, реабилитационного питания. Определяющее значение имеет максимальное сохранение качества и биологической ценности сырья с минимальными потерями при хранении. В ряду функциональных продуктов большой объем занимают напитки, велика роль заменителей кофе, что актуально для больных сахарным диабетом и артериальной гипертензией.
Одним из перспективных видов сырья для функциональных продуктов являются клубни топинамбура. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 31.07. 2013 г. № 1356–р был разработан проект программы Союзного государства «Инновационное развитие производства картофеля и топинамбура», предлагающей разработку инновационных технологий переработки топинамбура. Богатый биохимический состав, содержащиеся в повышенном количестве полисахариды инулин и пектин делают топинамбур незаменимым как для функционального питания, так и для производства эффективных лечебно-профилактических форм. Поэтому разработка инновационной биотехнологии заменителя кофе из топинамбура представляется актуальной. При этом в продукте используется весь клубень, без отходов. Для развития этой технологии требует решения вопрос низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура.
Степень разработанности темы исследования. В исследования по технологии сухих концентратов из растительного сырья существенный вклад внесли: А.Г. Баранова, Л.Д. Бобровник, В.Н. Голубев, Н.М. Дерканосова, Г.М. Зайко, В.Н. Зеленков, С.Я. Корячкина, А.А. Кочеткова, Н.К. Кочнев, Г.О. Магомедов, А.И. Остриков, Н.М. Пасько, Л.П. Пащенко, В.М. Позняковский, А.С. Романов, Ю.Ф. Росляков, Т.Н. Сафронова, И.А. Хрипко, Н.В. Цугленок, Т.Б. Цыганова, И.П. Чепурной, В.Я. Черных, А.А. Чумак, Р.И. Шаззо, С.С. Шаин, Л.Н. Шатнюк, Э.П. Эйхе и др.
Холодильная обработка, в какой-то степени изменяющая первоначальные свойства продуктов и сырья, позволяет значительно дольше сохранять их ценные компоненты. Вопросами низкотемпературной холодильной обработки продуктов питания и
сырья занимались: Л.А. Агжитова, А.В. Бараненко, С.А. Большаков, A.M. Бражнико-ва, Н.А. Головкин, А.А. Григорьев, А.М. Ершов, Г.А. Зинчук, В.С. Колодязная, Л.И. Константинов, В.Е. Куцакова, Д.Г. Рютов, Б.Н. Семенов, А.Э. Суслов, Ю.А. Фатыхов, Г.Б. Чижов, И.Г. Чумак, W. Fetkenheuer, Т.Р. Labuza, M.N. Moorani и др. Однако, вопрос длительного сохранения клубней топинамбура в качестве сырьевого источника, перспективные направления и технологии продуктов функциональной направленности из топинамбура, являются недостаточно освещенными и требуют дополнительного развития.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы явилось научное обоснование и разработка низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура (Helianthus tuberosus L.), разработка технологии заменителя кофе функциональной направленности из инулинсодержащих клубней топинамбура.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Обосновать выбор инулинсодержащего сырья – клубней топинамбура для получения продукта, относящегося к категории заменителей кофе;
-
Определить основные компоненты биопотенциала топинамбура сорта «Ленинградский», выращиваемого в Калининградской области;
-
Обосновать целесообразность и параметры низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура для обеспечения пролонгированного хранения с целью непрерывного поступления сырья на производство заменителя кофе;
-
Изучить влияние низких температур на состав, свойства и биохимические характеристики топинамбура;
-
Исследовать изменение содержания инулина и пектина в топинамбуре при низкотемпературной обработке и в процессе холодильного хранения, разработать техническую документацию на замороженный топинамбур;
-
Обосновать технологические параметры процесса получения из инулинсо-держащих клубней топинамбура заменителя кофе с функциональными свойствами;
-
Изучить эффективность ферментативной биотрансформации компонентов топинамбура, участвующих в формировании органолептических и физико-химических характеристик готового продукта – заменителя кофе;
-
Определить с использованием метода математического моделирования оптимальные параметры процесса сушки измельченного топинамбура, параметры последующей высокотемпературной обработки для формирования органолептических характеристик заменителя кофе;
-
По комплексу физико-химических, органолептических, микробиологических показателей качества и безопасности обосновать сроки годности заменителя кофе из топинамбура;
-
Разработать технологию и техническую документацию на производство заменителя кофе «Bietola» с использованием топинамбура как свежего, так и после низкотемпературной холодильной обработки;
-
Исследовать биологическую ценность и биологическую эффективность биопродукта;
-
Провести промышленную апробацию и обосновать экономическую эффективность предлагаемой технологии.
Научная новизна работы. Научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования инулинсодержащего регионального растительного сырья – свежих и подвергнутых низкотемпературной холодильной обработ-4
ке клубней топинамбура в качестве источника биологически активных компонентов для производства функционального продукта – заменителя кофе, предназначенного для больных сахарным диабетом II типа и артериальной гипертензией. Установлен высокий биотехнологический потенциал регионального топинамбура сорта «Ленинградский» по содержанию инулина и пектиновых веществ. Исследован способ низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура, обеспечивающий равномерное обеспечение сырьем производства заменителя кофе. Показано, что при низкотемпературной холодильной обработке топинамбура замедляются физико-химические и биохимические процессы, в результате чего в нем максимально сохраняются биологически активные вещества. Установлено, что ферментативная модификация топинамбура собственными ферментами обеспечивает биотехнологический эффект более полного высвобождения инулина, пектина и других биологически активных веществ. С применением метода математического моделирования обоснованы оптимальные параметры процесса сушки материала, используемого для термической трансформации в заменитель кофе. Подтверждены органолептические признаки кофейного вкуса и аромата заменителя кофе. Исследование химического состава и экс-трактивности заменителя кофе, аминокислотного состава белков, антиоксидантных свойств подтверждают его функциональность по количеству инулина, пектина, некоторых минеральных компонентов. Положительный эффект применения заменителя кофе при заболеваниях сахарным диабетом и артериальной гипертензией установлен в биологических испытаниях. Показатели безопасности, органолептические и микробиологические характеристики биопродукта подтверждают его стабильность в процессе хранения.
Теоретическая значимость работы заключается в решении актуальной биотехнологической задачи по созданию заменителя кофе с функциональными свойствами для больных сахарным диабетом II типа и артериальной гипертензией, замедлении физико-химических и биохимических процессов при низкотемпературной холодильной обработке топинамбура, обеспечивающей максимальное сохранение его ценных биологически активных веществ, выборе и обосновании режимов биотрансформации компонентов топинамбура в технологии заменителя кофе с функциональными свойствами.
Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке технологической схемы низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура для производства заменителя кофе, использовании для этих целей топинамбура Калининградского региона, обосновании возможности длительного сохранения этого сырья при низкотемпературной обработке, доказательстве эффективности применения продукта, приготавливаемого по разработанной технологии, у людей, страдающих диабетом II типа. Определены сроки годности функционального заменителя кофе из топинамбура. Разработана техническая документация на сырьё, подвергнутое низкотемпературной холодильной обработке (ТУ 9198-002-00471544-16 и ТИ) и заменитель кофе из топинамбура (ТУ 9198-001-00471544-16 и ТИ). Технология положительно апробирована в производственных условиях ООО «Штолле» и на базе Ресурсного центра ГБУ КО ПОО «Техникум отраслевых технологий». Показана экономическая эффективность разработки. Результаты исследования внедрены в образовательный процесс ФГБОУ ВО «КГТУ» при подготовке студентов бакалавриата и магистратуры по направлениям 19.03.01 и 19.04.01 «Биотехнология» (профиль «Пищевая биотехнология»).
Методология и методы исследований основаны на системном подходе, использовании современных аналитических методов (стандартных, общепринятых), методов математического моделирования и оптимизации параметров биопроцессов.
Положения, выносимые на защиту:
научное обоснование использования клубней топинамбура Калининградского региона в качестве источника биологически активных веществ при производстве из него заменителя кофе для больных сахарным диабетом II типа и артериальной гипер-тензией;
обоснование параметров процесса низкотемпературной холодильной обработки клубней топинамбура для расширения возможности производства из него заменителя кофе в несезонное время;
технологические параметры биопроцесса получения функционального продукта - заменителя кофе из клубней топинамбура;
качественные показатели, биологическая ценность, безопасность, эффективность производства и использования биопродукта для больных сахарным диабетом и артериальной гипертензией.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования подтверждается трехкратной повторностью опытов, применением аттестованных измерительных приборов, применением фундаментальных расчётных методик, воспроизводимостью экспериментальных данных, их статистической обработкой, апробацией биотехнологического решения в производственных условиях, проверкой биологической эффективности продукта.
Результаты диссертационного исследования были доложены на конференциях различного уровня, в т.ч. международных на иностранном языке: Международная научно - техническая конференция «Наука и образование - 2014» (Мурманск, 2014 г.); X - XII Международная научная конференция «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Калининград, 2012 - 2014 гг.); 8th - 9th International Scientific Conference «Students on their way to science (undergraduate, graduate, post-graduate)» (Latvia, Jelgava, 2013-2014 гг.); Мiжнародна науково-практична конференцiя молодих вчених, аспiрантiв i студентiв «Науковi здобутки молодi у вирiшеннi актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизацii i безпеки продовольства» (Киев, 2012-2013 гг.); 8-я Международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания» (Саратов, 2014 г.); I Научно-практическая конференция «Инновации в технологии продуктов здорового питания» (Калининград, 22-23.05.2014 г.); «Спектрометрические методы анализа: II Всероссийская научная Интернет-конференция с международным участием» (Казань, 2014 г.); Международная научно - практическая конференция «Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение» (Воронеж, 2014 г.); VII Международная научно - техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, СПб НИУ ИТМО ИХиБТ, 2015 г.); II -IV Международный Балтийский морской форум (Калининград, 2014 - 2016 гг.); молодежный форум «Итуруп» (Курильский городской округ Сахалинской области, о. Итуруп, 03-18.08.2016 г.). Материалы представлялись в соавторстве и лично.
Работа выполнена в соответствии с ГБ НИР кафедры пищевой биотехнологии ФГБОУ ВО «КГТУ» по теме 30.36.100.2 «Разработка и совершенствование технологии пищевых продуктов повышенной пищевой ценности».
Личное участие автора в 2013-2016 гг. состояло в формулировании цели и задач научной работы, разработке схемы исследований, участии в аналитических испытаниях, анализе полученных данных и изложении результатов.
Публикации. Опубликовано 27 печатных научных работ, в том числе 4 статьи – в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической части, результатов и их обсуждения, заключения. Работа изложена на 203 страницах, содержит 38 таблиц, 15 рисунков, 190 литературных источника, в том числе 34 иностранных, 11 приложений.
Диетотерапия при сахарном диабете
Сахарный диабет - это группа метаболических заболеваний, характеризующихся гипергликемией, которая является результатом дефектов секреции инсулина, действия инсулина или обоих этих факторов (ВОЗ, 1999 г.).
Сахарный диабет I типа (инсулинзависимый) возникает при частичной или полной гибели в поджелудочной железе клеток, которые вырабатывают инсулин. Современные теории предполагают, что -клетки (специфические клетки поджелудочной железы, продуцирующие инсулин) уничтожаются антителами собственного организма (аутоантитела), которые могут образоваться после банальной вирусной инфекции (например, грипп). Причиной, по которой они начинают бороться с клетками собственного тела, может быть то, что у некоторых людей эти клетки имеют сходную с некоторыми вирусами структуру.
На поверхности клеток организма человека есть специфичные для каждого определенные структуры. Они предназначены для того, чтобы организм распознавал, какие клетки являются его собственными, а какие чужие. Эта система называется HLA («human leucocyte antigens» - антигены лейкоцитов человека) и диабет I типа связан с антигенами HLA В8 и В15 (риск СД увеличен в 2-3 раза), Dw3 и Dw4 (риск СД увеличен в 3,7-4,9 раз) [8].
У детей процесс распада -клеток происходит гораздо более стремительно, и уже через год от начала патологического процесса секреция инсулина поджелудочной железой полностью прекращается. В организме взрослых людей процесс разрушения клеток происходит медленнее, поэтому -клетки длительное время могут секретировать достаточное количество инсулина, способное предотвратить развитие такого осложнения, как кетоацидоз, являющийся осложнением, характеризующимся недостаточностью инсулина, повышенными уровнями в крови глюкозы и кетоновых тел (продуктов распада жиров), появлением ацетона в моче, смещением в сторону увеличения кислотности кислотно-щелочного баланса организма, обезвоживанием и нарушением всех видов обмена веществ в организме. Однако, снижение секреции инсулина в организме неизбежно, в связи с чем, через определенное время развивается его абсолютный дефицит [129].
Если вовремя не начать контролировать течение сахарного диабета, в итоге наступает тотальная гибель -клеток. При этом С-пептид не выявляется, титры антител снижаются. Это состояние называется тотальным диабетом. Ход сахарного диабета становится неконтролируемым. Это грозит тяжелыми осложнениями - диссеминированным внутрисосудистым свертыванием крови, отеком коры головного мозга и развитием диабетической комы [177].
Диабет II типа характеризуется относительной недостаточностью инсулина в крови. Под относительной недостаточностью принято понимать каче 20 ственную недостаточность гормона, когда собственный инсулин присутствует в достаточном количестве (а иногда и в избытке), но по каким-то причинам он не в полной мере выполняет свои функции. Это возможно в случаях, когда клетки тканей теряют чувствительность к инсулину, сам инсулин может быть «неполноценным» вследствие нарушений его секреции или появления устойчивой резистентности к действию инсулина периферических тканей. Нарушение секреции инсулина может быть вызвано: нарушением ранней фазы секреции инсулина в ответ на введение глюкозы; нарушением пульсового характера секреции инсулина, а также гиперпроинсулинемией (заболевание, которое характеризуется повышенным уровнем инсулина в крови) [178].
Сахарный диабет II типа по старой классификации называют «инсулин-независимым сахарным диабетом» (ИНЗСД). Пациент с подобным диабетом должен тщательно соблюдать диету, чтобы поддерживать на нормальном уровне содержание сахара в крови, как у здоровых людей. Симптомы диабета II типа проявляются быстро, у больных возникает жажда, выделяется большое количество мочи (полиурия), человек худеет, испытывает сильное чувство голода, пациент может терять сознание и, в крайнем случае, впадать в диабетическую кому [124].
Относительная недостаточность рано или поздно может привести к абсолютной недостаточности инсулина и к необходимости компенсаторной ин-сулинотерапии. Учеными выявлен ряд вероятных факторов, способствующих заболеванию диабетом II типа: - наследственная предрасположенность; - некоторые болезни, которые могут вызвать поражение -клеток – например, рак поджелудочной железы, панкреатит; - вирусные инфекции – краснуха, ветряная оспа, эпидемический гепатит, грипп и др.; - излишний вес, тучность, ожирение; - нервные стрессы [177, 188].
Наиболее серьезным фактором является наследственная предрасположенность. Диабет I типа наследуется с вероятностью 3 - 7 % по линии матери и с вероятностью 10 % по линии отца. Если диабетом больны оба родителя, вероятность проявления его у детей составляет 30 - 70 %. Сахарный диабет I типа часто протекает в комплексе с такими наследственными аутоиммунными заболеваниями как диффузный токсический зоб, аутоимунный тиреоидит, аддисонова болезнь, витилиго, аутоиммунный синдром - комплекс. Диабет II типа наследуется с вероятностью 80 % по материнской и по отцовской линии. Если болеют оба родителя, вероятность его проявления у детей близка к 100 % [183].
Расчет биологической ценности заменителя кофе на основе аминокислотного состава
Созданы новые диетические комбинированные продукты с модифицированным углеводным составом на молочно-растительной основе. В качестве углеводно-минеральной добавки используют полуфабрикаты из топинамбура – сухой концентрат топинамбура и экстракт из свежих клубней топинамбура. Получаемые продукты имеют чистый кисломолочный запах и вкус, однородную густую консистенцию. Благодаря модифицированному углеводному составу предлагаемые продукты расширяют ассортимент диетических пищевых изделий для лиц с нарушением углеводного обмена [52].
При производстве кисломолочных продуктов лечебно профилактического назначения композиционную основу готовят внесением от 0,25 до 1 % измельченного порошка топинамбура в обезжиренное молоко с температурой от 80 до 90 0С и выдерживают смесь 30 минут. Затем ее охлаждают до температуры заквашивания и вносят от 3 до 5 % закваски, приготовленной на чистых культурах мезофильных стрептококков. В результате этих исследований установлено положительное влияние топинамбура на процесс сквашивания [7, 53]. Химический состав новых продуктов, качественный состав белка, микро- и макроэлементов, инулиновых и пектиновых компонентов позволяет сделать вывод об их лечебно-профилактических свойствах [56].
Использование топинамбура в производстве плавленых сыров также обусловлено особенностями его химического состава. Значительный интерес вызывает наличие пектиновых веществ и калия, влияющих на способность топинамбура не накапливать радиоактивный стронций и соли тяжелых металлов. Технология плавленого сыра с топинамбуром разработана на базе Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. В состав сырной массы введены зрелый сыр, сухое обезжиренное молоко, нежирный творог, масло сливочное, соль-плавитель «Сольва 820», клубни топинамбура (сорт - киевский белый ранний). Полученный плавленый пастообразный сыр с топинамбуром имел однородную, упругую консистенцию, нормальный цвет теста, насыщенный вкус [115].
Разработана технология мороженого лечебно-профилактического назначения. Клубни топинамбура вносят в виде пюре, сохраняя его ценные свойства. Композиционную основу для нового продукта готовят путем внесения в молочную основу пюре из клубней топинамбура в количестве от 10 до 30 % от массы смеси. Для достижения однородной консистенции смеси ее пропускают через коллоидную мельницу с дальнейшим фильтрованием. Затем смесь пастеризуют при 85±2 0С в течение 5-10 минут, гомогенизируют при температуре 65 0С под давлением 12,5 15,0 МПа. Далее смесь выдерживают для созревания 6 - 8 ч, после чего фрезеруют. Химический состав нового вида продукта, содержащего инулиновые и пектиновые компоненты, белок, макро- и микроэлементы, позволяет сделать вывод о его лечебно-профилактическом назначении [60].
В работе Ю.А. Яковлевой [153] теоретически и экспериментально обоснован подбор компонентов растительного и животного происхождения для мороженого лечебно-профилактического назначения, что позволило получить мороженое с высокими качественными характеристиками для людей, страдающих сахарным диабетом. Ею разработаны рецептуры сливочного, с растительными жирами, низколактозного мороженого для диабетического питания, включающие порошок топинамбура, стевиозид, декстринмальтозу, пектин, сухую подсырную сыворотку, заменители молочного жира «СОЮЗ» (52LЭ, 71Э) и «Бониграсса 55 РА.Н» (при замене молочного жира до 60 %), мед, орехи в различных соотношениях.
Изучено влияние порошка из клубней топинамбура на качество хлебобулочных и мучных кондитерских изделий [48, 116]. Установлено, что порошок топинамбура увеличивает водопоглотительную способность теста, что приводит к уплотнению его структуры [79]. При введении в рецептуру печенья около 5 % порошка топинамбура уменьшаются его разрыхленность, хрупкость и рассыпчатость, при 7 % - в печенье ощущается привкус топинамбура. В результате выполненных исследований разработано печенье трех сортов из смеси муки овсяной и пшеничной высшего сорта с применением сахарного песка и 7 % порошка топинамбура, а также сорбита или фруктозы и 5 % порошка топинамбура. Такое печенье рекомендуется людям с избыточном весом, а также людям, больным диабетом, детям для профилактики заболеваний, связанных с иммунной недостаточностью [35, 112].
Изучением вопроса получения качественной муки из топинамбура сорта «Интерес» для дальнейшего обогащения молочных каш быстрого приготовления занималась А.Г. Баранова [26]. Ею исследованы пищевая и энергетическая ценность каш. Энергетическая ценность каши гречневой с добавлением муки из клубней топинамбура составляет 240 ккал, что на 30 % ниже и каши овсяной – 270 ккал, что на 35 % ниже по сравнению с контрольными образцами.
На основе сырья из клубней топинамбура могут быть выращены хлебопекарные дрожжи. Они выращиваются на питательной среде, в состав которой вместо мелассы вносится топинамбур. Для разработки данной технологии используется свойство инулина растворяться в горячей воде [31, 56].
Клубни топинамбура можно также использовать для производства спирта с целью замены остродефицитных пищевых видов сырья. Исследования в этой области показывают, что из топинамбура можно получать высококачественный этиловый спирт, пригодный для пищевых целей [11].
Обоснование процесса низкотемпературной холодильной обработки как способа низкотемпературного консервирования топинамбура
Реализация опытов по данному плану (с преобразованием квадратичной переменной) позволяет получить полиномиальную модель второго порядка: где у - обобщенный параметр оптимизации; Ь0, bis bii, Ьи - неизвестные коэффициенты полиномиальной модели; хІ -изменяемые факторы исследуемого процесса Благодаря ортогональности матрицы планирования коэффициенты модели определяются независимо друг от друга по формуле: bi = (2.10) где i и j соответственно номер столбца и опыта в матрице; хij – факторы соответствующего столбца матрицы; уj – значения параметра оптимизации в j-м опыте; N – число опытов (N = 9).
Математическая обработка результатов исследования осуществлялась с применением методов регрессионного анализа. Вычисление дисперсий параметра оптимизации Sу2 (дисперсий воспроизводимости эксперимента) выполнялось через расчет дисперсий опыта Sj2 по общепринятым формулам. Расчет коэффициентов и их значимость - с применением коэффициента Стьюдента. Проверка гипотезы адекватности модели осуществлялась по критерию Фишера (F - критерий) путем сравнения его расчетного значения (Fр) с табличным (Fт) при доверительной вероятности 95 % [104].
После математического преобразования получается полиномиальная модель второго порядка в кодированном виде, применяемая для отыскания оптимальных параметров исследуемого процесса: y = (b0)1+ bixi+ bilxixl+ bii (xi)2 (2.11) (1i2) (1i l2) (1i2)
Полученное уравнение можно использовать для расчетов и анализа поведения отклика в зависимости от кодированных переменных xi в области их варьирования, а также для прогнозирования поведения за пределами указанной области. Для удобства использования уравнение преобразовывали к виду, допускающему использование физических переменных.
Для определения оптимальных значений факторов сушки проводили дифференцирование модели второго порядка, выраженной в натуральном виде. Проводили геометрическую интерпретацию модели, представляя процесс в виде геометрической поверхности, которая наглядно показывает влияние факторов на параметры процесса сушки, а также подтверждает локализацию их оптимальных значений.
Установленные оптимальные параметры проверялись в дальнейшем в экспериментальных условиях. В результате установлено, что проведение сушки при выбранных условиях не оказывало существенного влияния на изменение состава продукта.
В задачу теплового расчета входит определение продолжительности низкотемпературной обработки продукта и количества теплоты, отводимого от него в ходе процесса [25].
Сущность процесса низкотемпературной обработки пищевых продуктов заключается в понижении их температуры ниже криоскопической до полного или частичного превращения в лед содержащейся в продукте влаги.
Для выполнения тепловых расчетов процессов низкотемпературной обработки необходимо задать начальную и конечную температуры продукта. Конечная температура обработки к окончанию процесса различна в разных точках по объему продукта. Поэтому при расчетах принимаются значения теплофизических свойств продукта при его средней температуре за процесс [134].
Относительным количеством вымороженной влаги называют отношение массы льда, образовавшегося в продукте при данной температуре, к общей массе воды, содержащейся в продукте, включая твердую и жидкую фазы. Относительное количество вымороженной влаги является функцией температуры и изменяется от 0 до 1 при температуре ниже криоскопической при полном замораживании продукта.
Однако полного замораживания большинства продуктов не удается добиться даже при очень низких температурах, и процесс низкотемпературной обработки приостанавливается на промежуточной стадии. В этот момент температурное поле распределено в продукте неравномерно: в центре продукта температура выше, чем у поверхности [81]. Температурное поле в продукте остается неравномерным в течение всего процесса, поэтому вводят понятие средней конечной температуры низкотемпературной обработки. Средней конечной температурой продукта называют среднюю интегральную температуру продукта, т.е. такую температуру, которую обрабатываемый продукт принял бы в адиабатных условиях при достижении теплового равновесия. Среднюю конечную температуру tс.к. можно оценить по формуле Д.Г. Рютова, если известны температуры в центре продукта tц и охлаждающей среды tс [81]: t =Q 5V(Bi+2 ) + VBi (2.12) с.к. В- + 1 где Bi - безразмерный критерий Био. Критерий Био определяется по формуле [81]: Bi = b / , (2.13) где - коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к внешней среде в процессе низкотемпературной обработки, Вт/( м2-К); b - кратчайшее расстояние от поверхности продукта до центра, м; — коэффициент теплопроводности продукта при средней температуре процесса низкотемпературной обработки, Вт/(м-К).
Оценка биологической эффективности заменителя кофе «Bietola»
После ферментации в протирочной машине снимается с семян бльшая часть мякоти. Затем семена один-три дня выдерживаются в баках, где под действием собственных энзимов разлагается оставшаяся часть мякоти. После этого семена промывают, удаляя последние остатки мякоти, и сушат под солнцем на бетонных террасах или в сушилках с горячим воздухом. Затем механически удаляются покрывающие семена слои сухой кожицы, которая состоит из пергаментной и серебристой оболочек. Ферментация при обработке кофейных зерен, которая осуществляется влажным способом, позволяет получать мягкий кофе отличного качества [173].
Топинамбур также является поликомпонентным материалом с высокомолекулярными полисахаридами, образующими комплексные межмолекулярные связи. Поэтому представляется целесообразным испытать в технологии заменителя кофе процесс автоферментации. В составе топинамбура собственные ферменты представляют комплекс высокоактивных энзимов, в числе которых инулиназа, пектиназа, полифенолоксидаза и другие. В отношении топинамбура сорта «Ленинградский» не обнаружено литературных данных, посвященных активности вышеперечисленных ферментов.
Однако, существуют исследования М.В. Степуро и И.В. Квитайло [72], в которых изучалось действие и активность полифенолоксидазы и пероксидазы в топинамбуре сортов «Интерес», «Новость ВИРа», «Фиолетовый рейнский» урожая весны 2008 года. Сравнение активности пероксидазы, выделенной из указанных сортов топинамбура, показало, что наиболее активна пероксидаза, выделенная из топинамбура сорта Фиолетовый рейнский – 0,60 единиц оптической плотности, а наименее – Интерес (0,35 ед. опт. пл.). Активность пе-роксидазы, выделенной из топинамбура сорта Новость ВИРа составляла 0,40 ед. опт. пл. [72].
В работах И.В. Квитайло и М.А. Кожуховой [70], проведенных на топинамбуре сорта «Интерес», установлено, что измельчение клубней вызывает механическое повреждение клеток, что приводит к разрыву вакуолей и выте 113 канию клеточного сока, содержащего полифенолы. Окисление фенольных соединений катализируют окислительно-восстановительные ферменты – пе-роксидазу и полифенолоксидазу. В результате снижается пищевая и биологическая ценность продукта, его качество и товарный вид. Исследования показали, что активность пероксидазы и полифенолоксидазы в топинамбуре, бланшированном в 1 %-ном растворе лимонной кислоты при 80 С, снижается на 96 % и 92 % соответственно. Тепловая обработка паром оказала почти такое же ингибирующее действие на окислительно-восстановительные ферменты, но сырье приобрело размягченную консистенцию, что отрицательно сказывалось на качестве топинамбура. Это позволило авторам сделать вывод, что наиболее эффективный способ снижения активности пероксидазы и по-лифенолоксидазы в клубнях топинамбура - тепловая обработка в сочетании с подкислением среды лимонной кислотой. Также авторами представлены сведения о различном характере повреждения ферментов под влиянием низких температур. Отмечено, что при определенных условиях холодильной обработки возможно повышение активности некоторых ферментов, особенно выполняющих защитные функции [70].
Автоферментация – процесс, при котором под действием собственных энзимов, являющихся биологическими катализаторами, ускоряются многочисленные реакции в сырье.
Высокомолекулярные полисахариды, дающие коллоидные растворы в воде, к которым относятся пектин и инулин, не являются индивидуальными соединениями. Они представлены смесью молекул различной молекулярной массы и различной степени растворимости.
Гидролиз нерастворимых субстратов происходит под влиянием эндо- и экзопептидаз, вызывающих дезагрегацию молекул.
В топинамбуре наряду с инулином и пектином присутствуют целлюлоза, гемицеллюлоза, которые блокируют молекулы инулина и пектина. В процессе деградации полисахаридов могут участвовать целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы. При гидролизе гетерофазной системы внутриклеточные компоненты гидролизуются только после разрушения внешних структурных элементов тканей и клеток. Некоторому разрушению структурных элементов тканей и клеток способствует измельчение материала перед обработкой. В гидролитических процессах при обработке топинамбура участвуют ферменты самого сырья. В образующиеся при измельчении топинамбура пространства проникает вода, вследствие чего происходит разрыв водородных связей между молекулами. Частично деградированные субстраты гидролизуются быстрее высокомолекулярных [20]. В расщеплении пектиновых веществ участвует несколько собственных ферментов, действующих последовательно: протопектин гидролизируется ферментом протопектиназой, расщепляющим связи между метоксилированной полигалактуроновой кислотой и связанными с ней арабаном и галактаном. В результате образуется свободная меток-силированная полигалактуроновая кислота - растворимый пектин. Последний гидролизуется под действием ферментов полигалактуроназы и пектинмети-лэстеразы [184]. Пектинметилэстераза катализирует отщепление метоксиль-ных групп (-СН3) и карбоксильных групп (-СООН) от пектиновой молекулы.
Инулин - это полимер -1, 2-связанной фруктозы, у которого на нереду-цирующем конце имеется один остаток глюкопиранозы, присоединенный 1,1-глюкозидной связью. Среднее число фруктозных остатков от 30 до 40, молекулярная масса 5,0-6,5 кДа. Ферментативный гидролиз инулина путем последовательного отщепления фруктозных остатков от фруктозного конца полимера осуществляют инулиназы. Механизм реакции - многоцепочечная или множественная атака. В концентрированных растворах субстрата гидролиз полностью не происходит [96].