Разработка технологии функционального продукта на основе полиненасыщенных жирных кислот сырья водного происхождения Агафонова Светлана Викторовна

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор литературы 11

1.1 Современное состояние распространения сердечно-сосудистых заболеваний в России и мире. Анализ факторов риска 11

1.2 Характеристика, биохимические функции и пищевые источники омега-3 полиненасыщенных жирных кислот 17

1.3 Современные тенденции в производстве продукции, являющейся источником омега-3 полиненасыщенных жирных кислот

1.3.1 Обзор современного рынка продукции 29

1.3.2 Основные сырьевые источники для получения продукции, содержащей омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты 33

1.3.3 Способы извлечения жира из рыбного сырья 37

1.3.4 Способы повышения концентрации омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в рыбном жире 40

1.4 Проблемы обеспечения качества и безопасности продукции, содержащей омега-3

полиненасыщенные жирные кислоты 43

1.4.1 Гидролитическое расщепление липидов и их окислительная порча 43

1.4.2 Применение барьерных технологий и антиокислителей для стабилизации рыбного жира 46

1.4.3 Растительные экстракты – натуральные ингибиторы окислительной порчи пищевых жиров 52

2 Объекты и методы исследований 55

2.1 Схема проведения экспериментальных исследований 55

2.2 Объекты исследования 56

2.3 Методы исследований

2.3.1 Органолептические и физико-химические методы исследований 61

2.3.2 Моделирование и оптимизация биопроцесса ферментолиза рыбного сырья 68

2.3.3 Метод оценки жирнокислотной сбалансированности продукта 72

2.3.4 Метод оценки биологической эффективности продукта 73

3 Результаты исследований и их обсуждение 74

3.1. Характеристика биотехнологического потенциала липидов из субпродуктов

атлантического лосося и целой балтийской кильки для получения рыбного жира повышенной биологической ценности 74

3.2 Обоснование технологических параметров выделения рыбного жира с повышенным содержанием омега-3 полиненасыщенных жирных кислот 80

3.2.1 Исследование влияния ферментативной обработки на биотрансформацию сырья, на выход и качество жира 80

3.2.2 Определение оптимальных условий процесса ферментолиза рыбного сырья 82

3.2.3 Исследование возможности повышения содержания полиненасыщенных жирных кислот в рыбных жирах при отделении насыщенных и мононенасыщенных триглицеридов методом винтеризации 87

3.3 Обоснование целесообразности использования и выбор растительных антиоксидантов для стабилизации рыбного жира 91

3.3.1 Исследование антиокислительных свойств СО2-экстрактов растений 91

3.3.2 Обоснование дозировки СО2-экстракта розмарина, необходимой для стабилизации рыбного жира повышенной биологической ценности

3.4 Технология получения рыбного жира с повышенным содержанием омега-3 полиненасыщенных жирных кислот, стабилизированного СО2-экстратами растений 103

3.5 Установление уровней показателей, характеризующих качество и безопасность функционального продукта 105

3.6 Исследование функционального продукта с целью определения сроков годности 110

3.7 Обоснование возможности использования функционального продукта для обогащения хлебобулочных и мучных кондитерских изделий 115

3.8 Оценка биологической эффективности «Эссенциойл Фито», используемого в качестве продукта функционального назначения 120

3.9 Оценка экономической эффективности технологии 121

3.10 Промышленная апробация технологии 123

Заключение 124

Список сокращений 126

Список использованных источников

• Характеристика, биохимические функции и пищевые источники омега-3 полиненасыщенных жирных кислот
• Моделирование и оптимизация биопроцесса ферментолиза рыбного сырья
• Обоснование целесообразности использования и выбор растительных антиоксидантов для стабилизации рыбного жира
• Обоснование возможности использования функционального продукта для обогащения хлебобулочных и мучных кондитерских изделий

Введение к работе

Актуальность работы. Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются серьезнейшей проблемой здравоохранения и служат причиной 31 % смертей в мире (Информационный бюллетень ВОЗ, 2014). По показателю смертности от ССЗ РФ, в которой различные нарушения работы сердечно-сосудистой системы граждан обусловливают 51 % всех смертей, занимает лидирующие позиции в мире (РОССТАТ, 2013). Существенным является социально-экономический ущерб от ССЗ, который оценивается в РФ в 1 трлн. руб. в год (Концевая, Оганов, 2011).

Многочисленными клиническими испытаниями показано благоприятное воздействие на сердечно-сосудистую систему человека омега-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) рыбного сырья (Бойцов, 2012; Гладышев, 2012; Гиляревский, 2010; Карпов, 2007). В связи с этим биологически активные добавки (БАД), лекарственные средства (ЛС) и продукты функционального назначения (ПФН), содержащие рыбный жир, являются наиболее востребованными составляющими здорового питания и основой профилактики ССЗ. Анализ российского рынка БАД и ЛС, содержащих в качестве активного компонента рыбный жир, показывает невысокую конкурентоспособность российских препаратов (Запорожская, 2012). Актуальной задачей является им-портозамещение и повышение объема производства отечественной продукции.

Мировая практика производства препаратов омега-3 ПНЖК показывает, что наилучшими характеристиками обладают жиры, полученные из мышечной ткани рыб. В Калининградской области сырьем для получения такого жира могут являться отходы, образующиеся при разделке лососевых рыб на филе – головы, кости, плавники с прирезями мышечной ткани. Эти отходы содержат до 20 % жира, большинство которого приходится на мышечный жир. Перспективным жиросодержащим сырьем в регионе является балтийская килька. Для извлечения жира возможно использование целой кильки, не пригодной для изготовления соленой, копченой, консервированной продукции.

В технологии любой продукции, содержащей рыбный жир, важным фактором является пролонгирование сохранения ее качества. Для стабилизации жиров сегодня эффективно используются синтетические антиокислители, однако некоторыми биологическими и клиническими испытаниями показано, что эти не безвредные для человека антиокислители могут способствовать развитию онкологических заболеваний (Никифорова, Берман, 2003; Lippman, 2005; Nicastro, 2013). В связи с этим поиск натуральных, не оказывающих негативного действия на организм человека антиокси-дантов, является актуальной задачей. Для этих целей особый интерес представляют растительные экстракты с наибольшей концентрацией биологически активных ве-

ществ. На первом месте оказываются СО₂-экстракты растений, проявляющие антиок-сидантные свойства за счет наличия в их составе природных фенолов, терпенов, органических кислот и веществ с витаминной активностью.

Установление возможности пролонгированной стабилизации рыбного жира за счет антиоксидантов СО₂-экстрактов растений является актуальной задачей исследования.

Степень разработанности темы исследования. В исследования по технологии рыбных жиров, в том числе с повышенным содержанием омега-3 ПНЖК, существенный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: А.Г. Артемова, В.М. Бело-церковец, Н.П. Боева, О.В. Бредихина, И.В. Гаммель, В.М. Дацун, Л.И. Запорожская, А.В. Захарчук, Е.И. Лобова, А.М. Макарова, М.Д. Мукатова, Ф.М. Ржавская, Е.В. Сергиенко, Н.В. Серебрянников, Н.Н. Сидоров, М.В. Сытова, А.П. Ярочкин, V.T. Crexi, G.G. Haraldsson, M. Linder, L.A.A. Pinto, V.V. Ramakrishnan. Вопросами антиоксидантного воздействия различных растительных компонентов на липиды в составе продуктов питания занимались Ю.Г. Базарнова, Л.С. Байдалинова, Н.П. Боева, А.Б. Лисицын, Л.Ф. Митасева, Н.Л. Наумова, Л.Г. Павельева, И.Ю. Попова, Е.Ф. Рамбеза, А.А. Семенова, И.В. Сизова, А.Р.С. Талаб, Э.С. Токаев, Н.Н. Толкунова, Ю.А. Тыр-син, Л.М. Чибиряк, Я.И. Шарыгина, O.A. Asimi, N. Babovik, A.S. Gad, S.G. Dragoev, T.L. McCarthy, M. zcan, K. Robbins, H. Stckmann. Однако перспективы и технологии стабилизации рыбного жира с использованием антиоксидантов СО₂-экстрактов растений оказались недостаточно освещенными.

Целью диссертационной работы явилась разработка технологии пищевого рыбного жира повышенной биологической ценности, стабилизированного антиоксидантами СО₂-экстрактов растений, выступающего в роли функционального компонента питания или использующегося в качестве обогащающей пищевой добавки. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить биотехнологический потенциал липидов в субпродуктах атлантического лосося и в целой балтийской кильке, предназначенных для получения рыбного жира, богатого омега-3 ПНЖК. Обосновать необходимость и эффективность стабилизации рыбного жира с помощью природных антиокислителей растительного происхождения.

2. Обосновать технологические параметры процесса получения рыбного жира повышенной биологической ценности. Исследовать влияние ферментативной биотрансформации сырья при получении жира на его выход и биологическую ценность. Установить оптимальные параметры биотехнологического процесса ферментолиза рыбного сырья.

3. Определить возможность повышения биологической ценности рыбного жира с применением метода винтеризации.

4. Обосновать эффективность антиоксидантов СО₂-экстракта розмарина для стабилизации рыбного жира, установить дозировку экстракта, обеспечивающую сохранение качества продукта в процессе хранения.

5. Установить уровни показателей для оценки качества, безопасности и возможности идентификации готового продукта.

6. Разработать технологическую схему производства ПФН на основе рыбного жира и техническую документацию на готовый продукт.

7. Обосновать основные направления использования полученного продукта в виде функционального компонента питания и обогащающей пищевой добавки.

8. Исследовать биологическую эффективность ПФН.

9. Обосновать экономическую эффективность и провести промышленную апробацию предлагаемой технологии.

Научная новизна работы. Показан высокий биотехнологический потенциал липидов субпродуктов (голов, позвоночных хребтов и прирезей мяса) атлантического лосося и целой балтийской кильки для получения жира с повышенным содержанием омега-3 ПНЖК. Изучены параметры биотрансформации жиросодержащего сырья в процессе ферментолиза, получена математическая модель, адекватно описывающая этот процесс. Установлены оптимальные параметры ферментолиза, обеспечивающие наибольшее извлечение липидов при наименьшем гидролитическом расщеплении. Показана эффективность применения классического процесса винтеризации для повышения концентрации в продукте ПНЖК. Научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования антиоксидантов СО₂-экстракта розмарина при производстве пищевого рыбного жира повышенной биологической ценности. Экспериментально обоснован выбор для стабилизации рыбного жира СО₂-экстракта розмарина и определена его оптимальная дозировка. Установлена возможность и эффективность применения рыбного жира, стабилизированного СО₂-экстрактом розмарина, в составе специальных и пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения. Представлена комплексная оценка качества и безопасности продукта, стабилизированного антиоксидантами розмарина.

Теоретическая значимость работы заключается в предложении пути решения актуальной задачи создания для профилактики ССЗ ПФН, стабилизированных натуральными антиоксидантами, получении новых эмпирических данных для развития темы исследований.

Практическая значимость заключается в разработке биотехнологии пищевого рыбного жира с повышенным содержанием ПНЖК омега-3, стабилизированного антиоксидантами СО₂-экстрактов растений. Доказана эффективность применения данной продукции для нормализации у добровольцев уровня холестерина в крови и артериального давления. Разработана техническая документация на сырье ТУ 9267-001-00471544-2016 «Субпродукты лососевых рыб мороженые» и готовый продукт – ТУ 9281-002-00471544-2016 «Жиры рыбные пищевые с повышенным содержанием омега-3 ПНЖК «Эссенциойл Фито» и соответствующая ТИ.

Технология положительно апробирована в производственных условиях ООО НПП «Прок-М» (Калининградская область, Зеленоградский район, пос. Павлинино). Показана экономическая эффективность внедрения разработки. Результаты исследования успешно апробированы в образовательном процессе ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет» при подготовке студентов по направлению 240700 Биотехнология, 19.03.01 Биотехнология.

Методология и методы исследований основаны на системном подходе, использовании современных аналитических методов (стандартных, общепринятых), математического моделирования и оптимизации параметров биопроцессов.

На защиту выносятся:

эффективность применения антиокислителей СО₂-экстрактов растений для

стабилизации рыбного жира с повышенным содержанием омега-3ПНЖК;

технологические параметры биопроцесса получения стабилизированного

пищевого рыбного жира повышенной биологической ценности;

качественные показатели, биологическая ценность и безопасность готового

продукта.

Личное участие автора в 2012-2015 гг. состоит в формулировании цели и задач научной работы, разработке схемы исследований, участии в аналитических исследованиях, анализе полученных данных и изложении результатов.

Достоверность результатов исследования подтверждается трехкратной по-вторностью опытов, воспроизводимостью экспериментальных данных, их статистической обработкой, апробацией биотехнологического решения в производственных условиях, проверкой биологической эффективности продукта.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы представлялись на конференциях различного уровня: X-XIII МНК «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Калининград, 2012-2015 гг.); III МНПК Молодих вчених, аспирантів і студентів «Наукові забудки молоді у вирішенні актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизації і безпеки продовольства» (Киев, Украина,

2013 г.); IX, X МНК АтлантНИРО «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Светлогорск, 2013, 2015 гг.); 4 НПК молодых ученых с международным участием «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйствен-ного комплекса» (ВНИРО, Москва, 2013 г.); 9^th International Scientific Conference “Students on their way to science” (Елгава, Латвия, 2014 г.), VII МНК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2015 г.). Материалы представлялись в соавторстве и лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в т.ч. 3 – в научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, методическую часть, результаты и их обсуждение, заключение, список использованных источников (220 источников, в т.ч. 57 иностранных). Работа изложена на 174 страницах текста, содержит 40 таблиц, 23 рисунка, 9 приложений.

Характеристика, биохимические функции и пищевые источники омега-3 полиненасыщенных жирных кислот

Содержащиеся в этерифицированной форме в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения алифатические одноосновные карбоновые кислоты с открытой цепью называются жирными (ЖК). В природе в свободном виде ЖК встречаются редко, они преимущественно входят в состав различных классов липидов и обусловливают их структурное многообразие. Молекулы ЖК состоят из углеродной цепи, на одном из концов которой располагается карбоксильная группа, на другом – метильная группа атомов. В настоящее время известно более 200 ЖК, различающихся по длине углеродной цепи, по степени и характеру разветвления углеродной цепи, числу и положению двойных связей, природе и количеству других функциональных групп. ЖК, входящие в состав липидов высших растений и животных, являются монокарбоновыми и содержат преимущественно четное число атомов углерода [17, 73, 151].

Количество атомов углерода в молекуле ЖК зависит, как правило, от природы жира. Для растительных объектов характерно наличие ЖК с 12 – 18 углеродными атомами, для наземных млекопитающих – с 14 – 20, для липи-дов рыб – с 12 – 22 атомами углерода. Кислоты с 2 – 10 углеродными атомами присутствуют в этих объектах в незначительных количествах. Кислоты, содержащие свыше 24 атомов углерода, входят главным образом в состав восков [128, 151].

Природные ЖК классифицируют по наличию и количеству двойных связей в их составе на насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные. Насыщенные жирные кислоты (НЖК) – миристиновая, пальмитиновая, стеариновая представлены длинной неразветвленной цепью. Мононенасыщенные жирные кислоты (МНЖК) – олеиновая, пальмитолеиновая, эруковая – содержат одну двойную связь. К ПНЖК относятся арахидоновая, линоле-вая, линоленовая кислоты, содержащие две и более двойных связей. Степень насыщенности жирных кислот, входящих в состав триглицеридов (ТГ), определяет свойства жира. Так, ТГ, содержащие НЖК, имеют твердую консистенцию при комнатной температуре. К таким жирам относится большинство животных жиров (говяжий, свиной), а также некоторые растительные масла (кокосовое, масло какао). Ненасыщенные ЖК образуют ТГ, имеющие при тех же условиях жидкую консистенцию. Ненасыщенными ЖК богаты жиры рыб, а также большинство растительных масел [128].

Температура плавления ЖК зависит от их молекулярной массы, а также от наличия двойных связей в составе молекулы. НЖК находятся в жидком состоянии при комнатной температуре, только если число атомов углерода в их составе не превышает 10. С увеличением длины углеродной цепи возрастает температура плавления НЖК. Так, температура плавления пальмитиновой кислоты С16:0 составляет плюс 63,1 С, стеариновой С18:0 – плюс 69,4 С, арахиновой С20:0 – плюс 75,3 С [65, 128, 151].

С появлением двойных связей в молекулах ЖК температура плавления их значительно снижается, поэтому практически все ненасыщенные ЖК находятся в жидком состоянии при комнатной температуре. Введение одной двойной связи в молекулу стеариновой С18:0 кислоты с образованием олеиновой С18:1 уменьшает температуру плавления с плюс 69,4 С до плюс 14 С. При этом чем большее количество двойных связей содержится в составе ЖК, тем ниже ее температура плавления. Температура плавления линолевой кислоты С18:2 составляет минус 5 С, альфа-линоленовой С18:3 – минус 11 С. Высоконенасыщенные длинноцепочечные арахидоновая С20:4 и докозагексаеновая С22:5 кислоты плавятся при температурах минус 49,5 С и минус 78 С [65, 151]. В зависимости от преобладания в составе липидов ЖК различной степени насыщенности, жиры жидкой консистенции делят на высыхающие, невысыхающие и полувысыхающие. Высыхающие жиры, намазанные тонким слоем, легко окисляются и постепенно превращаются в эластичную плотную пленку, нерастворимую в органических растворителях. Главной составляющей в таких жирах является триненасыщенная линоленовая кислота. Жиры, образующие мягкие пленки, называются полувысыхающими, в их составе преобладает диненасыщенная линолевая кислота. К невысыхающим жирам относятся жиры, содержащие значительное количество мононенасыщенной олеиновой кислоты [128].

ПНЖК в зависимости от положения двойных связей делятся на омега-3, омега-6, омега-7, омега-9. К ряду омега-3 относятся кислоты, у которых первая двойная связь находится у третьего от конца атома углерода, к омега-6 ряду – кислоты, у которых первая двойная связь расположена у шестого от конца атома углерода. К омега-3 жирным кислотам относятся альфа-линоленовая (АЛК), докозагексаеновая (ДГК), эйкозапентаеновая (ЭПК) кислоты. К омега-6 жирным кислотам – гамма-линоленовая (ГЛК), дигомо-гамма-линоленовая, арахидоновая (АРК), линолевая (ЛК) кислоты. Важнейшие представители классов омега-3 и омега-6 ЖК приведены в таблице 1.1 [17, 27].

Насыщенные кислоты в различных живых организмах могут превращаться в ненасыщенные под воздействием ферментов десатураз. Различные типы десатураз встраивают двойные связи в молекулы жирных кислот к определенным атомам углерода. Высшие растения и водоросли имеют набор десатураз, обеспечивающих синтез ПНЖК омега-6 и омега-3 типов. В организмах же подавляющего числа беспозвоночных и всех позвоночных, в том числе человека, отсутствуют ферменты, присоединяющие двойные связи к третьему и шестому с конца атомам углерода. Таким образом, ПНЖК омега-6 и омега-3 классов являются эссенциальными для человека: они не синтезируются в организме, но выполняют важнейшие биохимические функции и поэтому необходимы для его нормального функционирования. К незаменимым относятся 18-ти атомные АЛК и ЛК. ЭПК, ДГК и АРК являются частично незаменимыми кислотами, небольшое их количество синтезируется в организме из АЛК, однако, эффективность такого синтеза мала и составляет 10 % для ЭПК и 5 % для ДГК. АЛК и ЛК не выполняют в организме самостоятельной функции, 50-70 % этих кислот в первые же сутки после потребления «сжигаются» для обеспечения организма энергией, оставшиеся используются для синтеза высших ЖК с 20-22 атомами углерода. ЭПК и ДГК же выполняют в организме важнейшие биохимические функции [17, 27, 175].

В организме человека ПНЖК входят в состав фосфолипидов клеточных мембран. При этом жирнокислотный состав фосфолипидов различных органов и тканей неодинаков. Чем более сложную функцию выполняет орган, тем больше длинноцепочечных омега-3 и омега-6 ЖК содержится в его липидах. Так, в клетках серого вещества коры головного мозга содержится 13 % ДГК и 9 % АРК, а содержание ДГК в сетчатке глаза составляет 20 %. В жировой ткани, которая состоит из запасных ТГ, содержится менее 1 % ДГК. Таким образом, ДГК является основной ПНЖК клеточных мембран сетчатки глаза и нервных клеток [27, 209, 217].

При достаточном употреблении с пищей омега-3 ПНЖК, они включаются в липидный бислой клеточных мембран и оказывают влияние на их проницаемость, возбудимость, электрические свойства. Преобладание омега-3 в структуре мембран обусловливает повышение чувствительности гормональных рецепторов к инсулину и тормозит развитие атеросклероза. При недостатке омега-3 ПНЖК, их место в мембранах клеток занимают омега-6 ПНЖК, что приводит к развитию инсулинорезистентности, а в дальнейшем – заболеванию диабетом 2-го типа [27, 174].

Омега-3 ПНЖК оказывают многостороннее благоприятное действие на ССС человека, причем преимущественно все положительные эффекты связывают с ЭПК и ДГК. Они способствуют снижению уровня липидов в крови за счет сокращения синтеза ТГ и экскреции холестерина. При систематическом приеме омега-3 ПНЖК отмечается снижение уровня ТГ в крови в среднем на 25-30 %. Омега-3 уменьшают агрегацию тромбоцитов и проявляют антитромботическое действие, улучшая реологические свойства крови. Также ПНЖК омега-3 оказывают антиаритмогенное действие вследствие влияния на ионные мембранные насосы, нормализуют транспорт ионов Ca2+и Mg2+, стабилизируют электрический потенциал мембран кардиомиоцитов. Антиаритмическое действие омега-3 ПНЖК проявляется также в снижении частоты внезапной смерти благодаря стабилизирующему действию на миокард.

Моделирование и оптимизация биопроцесса ферментолиза рыбного сырья

Большой спектр природных веществ, обладающих антиокислительной активностью, содержат экстракты растений. Будучи источниками натуральных витаминов, антиоксидантов, они не оказывают негативного воздействия на здоровье человека, а, напротив, способствуют активации иммунитета, улучшают пищеварение, оказывают позитивное влияние на многие системы организма.

Эффективность действия того или иного растительного экстракта определяется особенностями химической структуры и концентрацией БАВ. Среди веществ, проявляющих антиоксидантную активность – природные фенолы: фенолкарбоновые кислоты, фенолспирты, дубильные вещества, биофлаво-ноиды, оксикоричные кислоты, кумарины, хромоны, хиноны, лигнаны. Помимо фенольных веществ в состав фитоэкстрактов входят летучие углеводороды, карбонильные соединения, высшие спирты, ЖК, стерины, витамины (провитамин D, токоферолы, каротиноиды, аскорбиновая кислота, филлохи-нон, витамины группы В), фосфорорганические соединения, воска, органические кислоты, ПНЖК [10, 150].

Антиоксидантной активностью обладают пряности, у 32 видов специй обнаружены антиокислительные свойства, при этом наибольшей эффективностью обладает гвоздика. Добавление аниса, кардамона, кориандра, имбиря, укропа, фенхеля, майорана в количестве 0,2 % повышает стойкость жиров к окислению в 2-3 раза, а добавление розмарина и шалфея – в 15-17 раз [22, 166]. Однако вопросы стабилизации рыбного жира с использованием антиокислителей СО2-экстрактов растений оказываются недостаточно освещенными.

Исследования показали антиоксидантную активность при стабилизации пищевых жиров у жирных и эфирных масел, водных, масляных, углекислот-ных до- и сверхкритических экстрактов розмарина, зеленого чая, шалфея, имбиря, расторопши, шлемника байкальского, чабреца, чабера, лаванды, мяты, дудчатой монарды, чеснока, толокнянки, зверобоя, коры дуба, гинкобилоба, сои, хмеля, амаранта, черного перца, леспедицы и др. Объектами исследования при этом являлись мясные полуфабрикаты, мясные и рыбные колбасы, мясные и рыбные паштеты, соленые, мороженые и охлажденные рыбные изделия, растительные и сливочные масла, сырная паста, рыбное филе, рыбный жир, тюлений жир [6, 13, 67, 71, 68, 89, 93, 103, 122, 143, 146, 147, 148, 149, 155, 178, 200, 202, 203, 204, 206, 214].

Стоит отметить, что особый интерес представляют экстракты растений, получаемые обработкой диоксидом углерода. Метод экстракции сжиженной углекислотой (СО2-экстракция) в последнее время получил особенно широкое распространение. Это связано с тем, что при таком виде экстракции наиболее полно извлекаются БАВ растений, сохраняются запах и вкус исходного сырья. СО2-экстракт представляет собой сложную по составу смесь, включающую водорастворимые компоненты, эфирные и жирные масла, воска, фитостеролы. Наиболее широко в составе СО2-экстрактов представлены терпеновые и фе-нольные соединения, воска, пигменты, алкалоиды, фитостерины [11, 76, 81, 116].

Исследование содержания антиокислителей в сверхкритических СО2-экстрактах показало, что значительное количество антиоксидантных веществ содержат экстракты шалфея от 10 до 14 моль/кг и розмарина от 5 до 7 моль/кг. Среди веществ, обеспечивающих антиоксидантную активность шалфея, идентифицированы терпеноиды (камфара, борнеол, изотуйон, ка-риофиллен, ледол, эпиманоол), стероиды, токоферолы. В экстракте розмарина идентифицировано 22 вещества, основные из которых – фенольные кислоты, производные карнозола и флавоноиды. Также обнаружены терпены и терпе-53 ноиды (борнеол, карен, камфара, вербенол, кариофиллен, кадинен, стероиды), воска [11, 117, 138].

Наиболее эффективные из этих соединений в плане ингибирования окисления липидов – карнозол, розмариновая кислота, карнозоловая кислота, кофейная кислота, розманол и розмадиаль [11].

Установлено, что антиоксидантная активность карнозоловой кислоты и карнозола выше, чем у БОА в 2-4 раза, чем у полифенолов чая в 2 раза, токоферолов и аскорбиновой кислоты. Кроме того, карнозол выдерживает термообработку в составе жиров и сохраняет длительное время активность даже при температуре до 240 С [64, 171].

Натуральные розмариновые антиоксиданты находят применение в жирах, маслах, жиросодержащих продуктах питания и пигментах для предотвращения их окислительной порчи. Исследованиями показана эффективность инги-бирования экстрактами розмарина окисления липидов в реструктурированном курином мясе, свином жире, свежем и подвергнутом кулинарной обработке свином фарше, замороженном мясе индейки механической обвалки. Оптимальная концентрация розмарина, необходимая для эффективного подавления окисления липидов, составляет около 0,1 %. Установлено, что антиоксидант-ный эффект розмарина усиливается в присутствии -токоферола. Предполагается, что экстракт розмарина при восстановлении -токоферола оказывает си-нергический эффект, снабжая атомами водорода токофероксильные радикалы [142, 143, 164, 215, 216,].

Анализируя данные научной и патентной литературы, можно заключить, что разработка новых видов ПФН – источников омега-3 ПНЖК – на основе рыбного сырья Калининградской области, является актуальной задачей. При извлечении жира для увеличения его выхода целесообразно проводить биотрансформацию сырья методом ферментолиза с применением протеолитиче-ских ФП. Для стабилизации рыбного жира рациональным является использование натуральных биологически активных веществ СО2-экстрактов растений для получения устойчивого при хранении продукта здорового питания.

Обоснование целесообразности использования и выбор растительных антиоксидантов для стабилизации рыбного жира

Для характеристики антиоксидантного потенциала СО2-экстрактов растений и установления их эффективности для стабилизации рыбного жира, определяли: суммарное содержание водорастворимых антиоксидантов амперомет-рическим методом с помощью прибора «Цвет Яуза 01-АА» в диапазоне от 0,2 до 4,0 мг кверцетина /дм3. Метод основан на измерении силы электрического тока, возникающего при окислении молекул антиоксиданта на поверхности рабочего электрода при определенном потенциале, который после усиления преобразуется в цифровой сигнал. Расчет вели с использованием градуи-ровочного графика по растворам кверцетина известных концентраций [163]; антирадикальную активность – методом, основанном на способности связывания молекул реакционно-способного радикала 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила (DPPH) с антиоксидантами, содержащимися в исследуемых образцах. Расчет вели с использованием градуировочного графика по растворам аскорбиновой кислоты известных концентраций [198]; суммарное содержание полифенолов – спектрофотометрически. Экстракты разбавляли в 100 раз, затем к 250 мкл экстракта добавляют 25 мл би-дистиллированной воды, 3 мл хлорида железа (III). Через 3 мин. добавляли 3 мл раствора гексацианоферрата (III) калия, перемешивали и через 10 мин. измеряли оптическую плотность при длине волны 720 нм. [84, 158]; витамин С – титрованием раствором йодата калия в присутствии йодида калия и раствора крахмала [129]; витамин Р – титрованием раствором перманганата калия в присутствии индигокармина [158]; антоциановые пигменты – спектрофотометрически. Экстракты разбавляли в 100 раз 1 %-ным раствором соляной кислоты, после чего замеряли оптическую плотность растворов при 510 и 657 нм. Расчет вели с применением удельного показателя поглощения цианидин-3,5-гликозида в 1 %-ном растворе соляной кислоты [158]; лейкоантоцианы – спектрофотометрически. Экстракты разбавляли в 10 раз, затем к 1 мл вытяжки добавляли 9 мл 1 %-ного раствора соляной кислоты в н-бутаноле и тщательно перемешивали. Затем пробирки помещали в кипящую водяную баню, а через 50 минут – в стакан с холодной водой. Оптическую плотность измеряли при длине волны 520 нм [75]; катехины – спектрофотометрически. Экстракты разбавляли в 10 раз, затем 1,0 мл раствора переносили в пробирку, содержащую 4,0 мл ванилинового реактива. Оптическую плотность измеряли при длине волны 520 нм [75]; каротиноиды – фотоколориметрически. 0,1 г экстракта помещали в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводили объем до метки петролейным эфиром. Оптическую плотность измеряли при длине волны 450 нм. Параллельно измеряли оптическую плотность раствора стандартного образца би-хромата калия [136].

Для определения степени гидролиза сырья в жидкой фазе гидролизата определяли содержание ФТА титрованием 0,1 н раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина и формалина по ГОСТ 7636-85.

Температуру плавления и кристаллизации жира определи в пробирке с погруженным термометром [65]. Жирнокислотный состав рыбного жира определяли согласно ГОСТ 30418-96 по методу, основанному на превращении ТГ жирных кислот в метиловые эфиры жирных кислот и газохроматографическом анализе последних [43].

Безопасность готового продукта оценивали по показателям: токсичные элементы – отбор и подготовка проб осуществлялись в соответствии с ГОСТ 26929-94. Определение ртути – по МУ 5178-90, МУК 4.1.1472-03, мышьяк – по ГОСТ Р 51766-2001, ГОСТ Р 31707-2012, свинца и кадмия – по ГОСТ 30178-96 [40, 42, 45,50,90, 91,]; пестициды – гексахлорциклогексан (ГХЦГ, , , -изомеры), дихлорди-фенилтрихлорэтан (ДДТ) и его метаболиты – по ГОСТР 53911-2010, МВИ 2352-2005 [52, 86]; радионуклиды – Cs-137 по ГОСТ Р 54016-2010, ГОСТ 32161-2013; Sr-90 по ГОСТ 32161-2003, ГОСТ 32163-2013 [48, 49, 54]; ПХБ – по МВИ 2352-2005, ГОСТ Р 53991-2010 [53, 86]. В пшеничном хлебе, обогащенном рыбным жиром, определяли: влажность мякиша – по ГОСТ 21094-75 [38]; пористость мякиша – с помощью прибора Журавлева по ГОСТ 5669-96 [30]; кислотность мякиша – титрованием водной вытяжки мякиша 0,1 н раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина по ГОСТ 5670-96 [31]; массовую долю жира – по ГОСТ 5668-68 [29]. В сахарном печенье, обогащенном рыбным жиром, определяли: массовую долю влаги – по ГОСТ 5900-73 [33]; массовую долю жира – по ГОСТ 31902-2012 [46]; кислотность – титрованием 0,1 н раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина по ГОСТ 5898-87 [32]; щелочность – титрованием 0,1 н раствором серной кислоты в присутствии бромтимолового синего по ГОСТ 5898-87 [32]; намокаемость – по ГОСТ 10114-80 [37]. В обогащенных продуктах определяли согласно ГОСТ 7636-85 [36]: массовую долю белка – по методу Кьельдаля; массовую долю минеральных веществ – удалением органических веществ из навески анализируемого продукта сжиганием и определением массы золы взвешиванием.

Определение оптимальных параметров биотехнологического процесса ферментолиза рыбного сырья проводили с помощью метода математического моделирования в программном пакете Excel.

При моделировании и определении оптимальных параметров, обеспечивающих наибольший выход жира из сырья и наименьшую степень гидролитического расщепления липидов в процессе ферментолиза, использовали ортогональный центральный композиционный план (ОЦКП) второго порядка для двух факторов.

На основании предварительных экспериментов, а также анализа специальной литературы из параметров, обусловливающих биопроцесс ферменто-лиза, были выделены два основных фактора, оказывающих наибольшее влияние на выход жира и его качество: массовая доля ФП Alcalase (% к массе сырья) и продолжительность процесса ферментолиза (ч). Диапазон изменения факторов и интервал их варьирования представлены в таблице 2.4.

Продолжительность ферментолиза, , ч 0,5 1 1,5 0,5 Частным параметром оптимизации математической модели был выбран безразмерный обобщенный параметр оптимизации y, объединяющий два частных отклика: выход жира (ж, % от содержания жира в сырье) и кислотное число жира (КЧ, мг КОН / г). Совокупность данных частных откликов позволяет оценить эффективность извлечения жира из сырья, а также степень гидролитических изменений жира в процессе ферментолиза.

Ферментолиз сырья проводили в течение заданного времени при температуре 45… 50 С. По окончании процесса ферментолиза гидролизаты подвергали нагреванию до 90 С для инактивации ферментов. Полученные гид-ролизаты фильтровали для отделения твердого остатка, затем направляли на центрифугирование для отделения жира, при этом определяли количество каждой фракции.

Выход жировой, жидкой и твердой частей гидролизата определяли методом взвешивания, содержание ФТА в жидкой части ферментолизата, КЧ жира определяли согласно ГОСТ 7636-85.

При объединении различных по физическому смыслу частных откликов в единый обобщенный параметр оптимизации пользовались методикой, предусматривающей приближение к «идеалу» [113]. «Идеальные» значения частных откликов, приведенные в таблице 2.5, устанавливали в серии предварительных экспериментов.

Обоснование возможности использования функционального продукта для обогащения хлебобулочных и мучных кондитерских изделий

Исследование «Эссенциойл Фито» на основе килечного жира для установления сроков годности проводились при аналогичных условиях. При этом в процессе хранения в килечном жире отмечалась бльшая интенсивность гидролитических и окислительных процессов в сравнении с лососевым жиром. Особенно высокими значениями КЧ и ПЧ отмечался контрольный образец на конец срока хранения. Как и при хранении лососевого жира, ни в одном из образцов килечного жира не наблюдалось превышения значений показателей гидролитической и окислительной порчи, указанных в «Единых санитарно-эпидемиологических и гигиенических требованиях к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому контролю (надзору)». Но жир, стабилизированный СО2-экстрактом розмарина, обладал в 1,5-2 раза меньшими значениями кислотных и перекисных чисел в сравнении с контрольным образцом (рисунок 3.12).

Органолептическая оценка жира спустя 360 суток хранения показала заметное различие между качеством жира, хранившегося в условиях нерегулируемой температуры и жира, хранившегося при пониженной температуре. Качество жира без антиоксиданта, хранившегося в условиях нерегулируемой положительной температуры, было оценено как «неудовлетворительное» (47,8 баллов). Качество образцов жира, хранившихся с антиоксидантом и без него в холодильных условиях, оценивалось как «отличное» (89,9 баллов) и «хорошее» (77,1 балла) соответственно, качество жира, стабилизированного СО2-экстрактом розмарина, хранившегося в условиях нерегулируемой температуры – как «хорошее» (74,4 балла). Характеристика органолептических показателей образцов жира в виде профилограмм представлена на рисунке 3.13.

Органолептическая оценка килечного жира, хранившегося в течение 360 суток при нерегулируемой положительной температуре (а) и при температуре 4±2С (б): - с СО2-экстрактом розмарина без антиоксиданта После 430 суток хранения при пониженной температуре КЧ лососевого жира ниже допустимого «Едиными санитарно-эпидемиологическими...» в 5 раз, килечного - в 2,5 раза; ПЧ лососевого жира - ниже в 10,6 раз, килечного - в 7,5 раз. Следовательно, с учетом коэффициента запаса, срок годности функционального продукта «Эсенциойл Фито» составляет 360 суток. Для хранения продукта рекомендована температура 4±2 С, без доступа света и кислорода воздуха.

Актуальным направлением использования функционального продукта является внесение его в качестве ингредиента в состав жиросодержащих продуктов массового потребления. Особый интерес в этом плане представляют мучные хлебобулочные и кондитерские изделия.

Хлеб является одним из важнейших продуктов и употребляется всеми группами населения. Он обладает высокой, не снижающейся при постоянном употреблении усвояемостью. За счет хлеба человек на половину удовлетворяет потребности организма в углеводах, на треть – в белках, более чем на половину в витаминах группы В, солях фосфора и железа [119].

Содержание и жирнокислотный состав липидов в хлебе зависят от рецептуры изделия. Содержание жиров в хлебе из пшеничной муки составляет в среднем 1,4 %, из них ПНЖК (ЛК и АЛК) составляют 0,61 % [69]. Таким образом, незаменимые омега-3 ПНЖК представлены в хлебобулочных изделиях преимущественно АЛК. Повысить содержание эссенциальных компонентов возможно при обогащении продукта добавками на основе ПНЖК рыбного сырья [4].

Помимо профилактического эффекта для потребителя ПНЖК в составе хлебной продукции оказывают благоприятное действие на структуру, улучшая пористость, удельный объем и формоустойчивость изделия. Жирные кислоты являются поверхностно-активными веществами анионоактивного типа и способствуют укреплению клейковины за счет наличия двойных связей и гидрофобного взаимодействия с белками [112].

При экспериментальных работах были изготовлены 3 образца хлеба по рецептурам, представленным в таблице 3.21, с использованием лососевого жира «Эссенциойл Фито», стабилизированного СО2-экстрактом розмарина. В исходной рецептуре хлеба было заменено 20, 30 и 40 % подсолнечного масла на рыбный жир, что составило 1,0 % (рецептура 1), 1,5 % (рецептура 2) и 2,0 % (рецептура 3) к массе готового изделия [4, 13, 15].

Органолептическая оценка опытных образцов пшеничного хлеба и контрольного образца без добавления рыбного жира (рисунок 3.14) показала, что добавление 1,0 и 1,5 % рыбного жира не оказывает существенного влияния на вкус и аромат изделия. Отличием от контрольного образца являлось появление «травянистых» оттенков во вкусе и запахе, свойственных экстракту розмарина. Однако, их наличие не воспринималось негативно. При добавлении 2,0 % жира отмечено появление легкого рыбного вкуса и горечи, что послужило основанием считать качество продукта неудовлетворительным [4, 13, 15].

Таким образом, на основании органолептических исследований для обогащения пшеничного хлеба была принята дозировка жира «Эссенциойл Фи-то» 1,5 % к массе готового изделия, или 30 % к массе общего жира в рецептуре. При таком содержании рыбного жира употребление 100 г хлеба удовлетворяет суточную потребность в омега-3 ПНЖК на 21 %.