Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор научно-информационной литературы 10
1.1 Современные способы получения хитозана из хитина 10
1.2 Применение хитозана в пищевых продуктах 16
1.3 Способы комбинирования растительного и животного сырья для получения пищевых продуктов 22
1.4 Существующие технологии производства растительно-рыбных пищевых продуктов 32
2 Объекты и методы исследования 36
2.1 Объекты исследования 36
2.2 Методы исследования 38
3 Экспериментальная часть 49
3.1 Обоснование использования гаммаруса азовского в качестве сырья для получения хитозана 49
3.2 Разработка технологии и аппаратурно-технологической линии получения хитозана газожидкостным способом 52
3.3 Исследования показателей хитозана, полученного из гаммаруса азовского 54
3.3.1 Органолептические показатели хитозана 54
3.3.2 Микробиологические показатели хитозана 55
3.3.3 Физико-химические показатели хитозана 55
3.3.4 Исследование свойств хитозана из гаммаруса азовского ИК-спектроскопией 56
3.4 Исследование растворимости хитозана в пищевых кислотах 59
3.5 Характеристика растительного и рыбного сырья, используемого при производстве растительно-рыбных пищевых продуктов 62
3.6 Исследование реологических показателей рыбных фаршей 72
3.7 Разработка рецептур растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана
4 Промышленная апробация усовершенствованной технологии растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана 85
4.1 Совершенствование технологического комплекса для производства растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана .85
4.2 Разработка режимов стерилизации растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана 87
4.2.1 Обоснование целесообразности применения СВЧ ЭМП для интенсификации процесса тепловой стерилизации растительно-рыбных пищевых продуктов 89
4.2.2 Разработка режимов тепловой стерилизации растительно-рыбных пищевых продуктов 89
4.3 Физико-химические показатели разработанных растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана 96
4.4 Показатели качества и безопасности разработанных растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана 98
4.4.1 Органолептические показатели разработанных растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана 98
4.4.2 Определение микробиологических показателей и безопасности разработанных продуктов с добавлением хитозана 100
4.5 Расчёт ожидаемого экономического эффекта от внедрения и реализации новой технологии получения хитозана и растительно-рыбных пищевых продуктов с его применением 102
Выводы 114
Список литературных источников 117
Список сокращений и условных обозначений 130
Список иллюстрированного материала
- Применение хитозана в пищевых продуктах
- Разработка технологии и аппаратурно-технологической линии получения хитозана газожидкостным способом
- Разработка режимов стерилизации растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана
- Определение микробиологических показателей и безопасности разработанных продуктов с добавлением хитозана
Применение хитозана в пищевых продуктах
Исследование хитина началось почти 200 лет назад. Впервые он был открыт в 1811 году профессором естествознания и по совместительству директором ботанического сада Академии наук в Нэнси (Франция) Генри Браконно при исследовании состава грибов и получил название фунгин. В 1823 году A. Odier выделил полимер из надкрылий насекомых и назвал его хитин (греч. Citwu-одежда) [4,23].
Хитин - строительный материал животного происхождения, занимающий второе место (после целлюлозы) по распространению в природе. Хитин представляет собой р -1,4 -гомополимер N-ацетилглюкозамина [71]. Структурная формула хитина представлена на рисунке 1.1.
Структурная формула хитина В природе известны три кристаллические формы хитина: -,-,-хитины. -хитин является устойчивой и легко доступной формой с антипараллельным способом соединения. Данный вид соединения позволяет формировать сильную межмолекулярную водородную связь. -хитин соединен параллельно, что приводит к слабому межмолекулярному взаимодействию. –хитин встречается редко и представляет собой гибрид - и - хитина с параллельным и антипараллельным способом соединения [81,86].
Хитин структурно подобен целлюлозе, но он является аминосахаридом, и вместо гидроксильных групп имеет ацетамидные группы в С-2 положении (это дополнение к его уникальной полисахаридной структуре). Присутствие аминогрупп в полисахаридной структуре хитина обеспечивает уникальные биологические функции и возможность проведения реакции модификации [104].
В результате многочисленных исследований учеными было выявлено, что строение хитина не является окончательным, т.к. при дальнейшей обработке он превращается в хитозан. Деацетилирование хитина, т.е. отщепление ацетильной группировки от остатков уксусной кислоты, стало первой модификацией, в результате которой был получен хитозан [114].
Хитозан является линейным полисахаридом и представляет собой частично N–дезацетилированное производное природного полисахарида хитина [25]. Структурная формула хитозана представлена на рисунке 1.2.
Физические и химические свойства хитозана определяются строением его молекул, имеющих реакционноспособные амино– и гидроксильные группы. Молекула хитозана обладает двумя гидроксильными группами, которые привязаны на мономерное звено, участвующее в химических превращениях, поэтому хитозан обладает низкой химической активностью [125,1].
Реакция гидролиза гликозидных и амидных связей также относится к химическим превращениям данного полимера. Моделировать свойства производных хитозана можно путем введения в их состав гидрофильных заменителей [122].
Сырье для получения хитозана многообразно и широко распространено в природе. Главным источником являются ракообразные. Многие страны мира имеют источники для получения хитозана, но лидером по его производству является Япония, где, по данным на 2013 г., было выпущено 3100 т. данного полимера. Америка выпускает до 1000 т. в год хитина и его производных. Страны Европы, такие так Италия, Норвегия, Польша, вырабатывают до 100 т. хитозана в год. Сейчас начинают развивать производство хитина и его производных в таких странах, как Индия, Китай и Таиланд. В зависимости от страны, качество полимера различно, например в Японии и Китае используются сырье от переработки крабов и креветок, а в США – от крабов и омаров [30,68].
В России производство этого полимера началось в 1970 г. и на данный момент составляет 100 т. в год. Для производства используют в основном камчатского краба и краба-стригуна, вылов которых в год составляет до 150 тыс. т. [84].
Однако не только ракообразные являются источником получения хитозана. Учеными доказано, что клеточная ткань грибов и водорослей, оболочка членистоногих и червей и некоторые органы моллюсков содержат в своем составе хитин. Также используют подмор пчел: преимуществом данного сырья является отсутствие стадии деминерализации в технологии получения хитозана, это обосновывается минимальным содержанием минеральных веществ [115,120].
Напрямую хитозан не выделяется из панциря, т.к. он является нерастворимым полимером. Поэтому сначала необходимо отделить белковую и минеральную составляющую, то есть перевести хитозан в растворенное состояние. В книге «Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение» под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова описаны способы получения хитозана, разделенные на две основные категории: 1) химическая обработка кислотами, щелочами, комплексонами и др.; 2) методы биотехнологии, электрохимической обработки [107].
Рядом авторов были разработаны способы получения хитозана. В зависимости от сырья и метода получения, молекулярная масса хитозана колеблется в пределах 10-1000 кДа [72]. Классический способ.
Классический способ получения хитозана основывается на использовании кислот и щелочей. Технология получения хитозана по классической технологии представлена ниже.
Сырье измельчают. Депротеинирование осуществляется путем обработки хитинсодержащего сырья раствором щёлочи. Процесс деминерализации проводят в растворе соляной кислоты до полной очистки сырья от белка и минеральных солей. Далее полученный хитин обесцвечивают при помощи перекиси водорода, процесс деацетилирования осуществляют гидроксидом натрия. Полученный хитозан промывают водой, а затем метанолом. В результате обработки сырья кислотами и щелочами, происходит разрушение молекулы хитозана, что влияет на качество продукта [96].
Процесс получения хитозана классическим способом постоянно совершенствуется. В диссертационной работе Франченко Е.С «Разработка технологии и оценка потребительских свойств десертов функционального назначения с применением хитозана» была усовершенствована технология получения хитозана [105]. Усовершенствованная технология получения представлена на рисунке 1.3.
В результате была разработана технология получения хитозана в мягких условиях, без разрушения молекулы хитозана.
Недостатками данных способов остается взаимодействие сырья с кислотами и щелочами, которые влияют на качество готового продукта. Химический способ.
Известен способ получения хитина, а в дальнейшем хитозана, путем чередования стадий сначала ДМ и ДП, этот способ позволяет обладать лучшими характеристиками готовому продукту, нежели хитин полученный по схеме ДП-ДМ. Эффективность обработки ПСС зависит от степени измельчения панциря, т.е. от увеличения площади соприкосновения полимера с реагентом, но при этом уменьшается выход готового продукта. Стадии ДП и ДМ зависят от обрабатываемого сырья.
Разработка технологии и аппаратурно-технологической линии получения хитозана газожидкостным способом
Гидробионты и продукты на их основе являются необходимой составляющей для укрепления иммунитета и повышения общего состояния организма [5]. Рыба – важный ингредиент в рационе человека, т.к. обладает большой ценностью [2]. Ценность рыбы, как продукта питания, определяется наличием в ее составе большого количества полноценных белков, содержащих все жизненно необходимые аминокислоты [10]. Белки – важные и сложные по своей химической природе вещества, входящие в состав мышечной и соединительной ткани. Наряду с белками, в состав тканей рыб входят небелковые азотистые вещества, относящиеся к различным группам органических соединений. Имеются различия в общем содержании, соотношении количества белковых и небелковых азотистых веществ в мясе костистых и хрящевых рыб. У костистых рыб в мясе содержится 2,0-3,5 % азота, большая часть которого от 80 - 92 % заключена в белках, а остальные 8-20% приходятся на долю небелковых соединений. У хрящевых рыб общее количество азота в мясе достигает 3,0-4,5 %, но при этом только 55-65 % всего азота в мясе приходится на долю белков, а 35-45 % на небелковые вещества [9,51].
К настоящему времени в водных организмах обнаружено более 60 химических элементов. В наибольшем количестве в рыбе содержится кислород (около 70%), водород (около 8 %), фосфор (0,5-0,9%), углерод (около 8,8%). Остальные элементы находятся в рыбе в очень небольших количествах [55].
Также важным является наличие в рыбе других питательных нутриентов – жиров, витаминов и минеральных веществ [61].
Для характеристики пищевых достоинств рыбы определяют содержание в ней белков, липидов, витаминов и отдельных наиболее важных минеральных веществ (фосфор, кальций, калий, йод) [65].
Состав и концентрация минеральных веществ в воде оказывает непосредственное влияние на их содержание в мышечной и других тканях рыбы. У морских рыб содержание солей в мясе больше, чем у пресноводных [83]. Содержание микроэлементов в мясе различных рыб приведено в таблице 1.1. Минеральные вещества, поступаемые в организм с пищей, участвуют в строительстве костей, нервной и мышечной тканей. При недостатке минеральных элементов нарушается обмен веществ, который может повлечь за собой серьезные заболевания [89].
Введение в состав рыбного фарша растительных компонентов позволяет получить готовый пищевой продукт, обогащенный не только белками, но и необходимыми микроэлементами. Кроме того, повышаются антиоксидантные и бактерицидные свойства получаемых пищевых продуктов [102].
Влияние овощей на организм человека однозначно велико. Содержание в овощах большого количества углеводов, витаминов, органических кислот и минеральных веществ в легкоусвояемой форме определяет их пищевую ценность. Использование овощных компонентов обосновывается также улучшением органолептических показатели готового продукта [113,70].
Биохимические показатели являются главным критерием качества. Овощное сырье до 96 % содержит в своем составе влагу. Однако в сухой части овощей содержится огромное количество важных соединений, способствующих нормальной работе организма человека. В состав сухой части входят углеводы, крахмал, сахара, а также клетчатка. Клетчатка влияет на восстановление затраченной энергии организмом. Вместе с тем ценность представляют входящие в состав органические кислоты: лимонная, щавелевая, винная и другие [118,123].
Витамины, находящиеся в большом количестве в овощах, также способствуют нормальной работе организма. Отсутствие в рационе питания даже одного витамина может вызвать тяжелые заболевания. Синтезировать витамины в нужных объемах организм не в состоянии, поэтому они должны поступать с пищей [21].
Использование овощей в качестве ингредиентов в рыбной продукции способствует нормализации пищеварения за счет содержания в их составе пектина, целлюлозы и крахмала. В результате исследований было выявлено, что крахмал снижает уровень холестерина в крови. Данный эффект вызван тем, что крахмал способствует синтезу рибофлавина, который превращает холестерин в желчную кислоту [36].
Органические кислоты входящие в состав овощей способствуют усвоению труднорастворимых соединений, в частности: железа, кальция, фосфора, а также нормализуют кислотно-щелочной баланс оргазма [38].
В соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации от 25 октября 2010 г. были утверждены «Основы государственной политики Российской Федерации в области питания». Данное распоряжение включает в себя комплекс мероприятий, направленных на улучшение здоровья населения за счет производства и реализации пищевой продукции высокого качества [55].
Обогащение продуктов полезными веществами является трудоемкой работой, т.к. необходимо производить подбор ингредиентов. Причем осуществление данной работы необходимо проводить только после научно обоснованных решений применения того или иного ингредиента, которые отвечают медико-биологическими показателям. Данные
Разработка режимов стерилизации растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана
Существующие на данный момент технологии получения хитозана сводятся к обработке хитина (главного вещества для получения хитозана) кислотами и щелочами при высокой температуре, что отрицательно влияет на качество готового продукта.
Нами была разработана и запатентована технология и аппаратурно– технологическая линия получения хитозана из гаммаруса азовского газожидкостным способом. Отличительной особенностью нового способа является использование аммиака и диоксида углерода, который после завершения цикла улетучивается из продукта.
Измельченное сырье поступает в бункер для сырья (1), по транспортеру (2) сырье попадает в ферментер (3), где под действием протеолитических ферментов (пепсин и трипсин) в течение 4 часов при температуре 37-40 оС сырье размягчается, далее размягченное сырье попадает в декантер (4), где разделяется на хитин и белково–углеводную часть. На рисунке 3.2 представлена аппаратурно– технологическая линия производства хитозана.
Белково–углеводная часть поступает в резервуар (8), оттуда в сушильную установку (9), затем фасуется и направляется на склад готовой продукции. Полученная белково–углеводная часть включается в состав комбикормов. Хитин направляют в реактор (5), где на первой стадии процесса подготовленное хитиновое сырье подвергают щелочному гидролизу обработкой аммиака под давлением до 6 МПа, при этом образуется основание NH4OH, которое под давлением приобретает высокие щелочные свойства (при рH среды 12–14 ед.). Процесс щелочного гидролиза продолжается в течение 60 минут при температуре до 85 0С.
При снижении давления до атмосферного остаточное количество паров аммиака из продукта отгоняется с помощью диоксида углерода. Полученный хитозан промывается и направляется в сушилку (6), а после сушки готовая продукция поступает в сборную емкость (7).
В процессе производства хитозана к гаммарусу азовскому были предъявлены следующие требования: цвет от золотисто-коричневого до красно-коричневого, однотонный. Примеси: не более 5 %., влажность: в пределах от 10 до 14 %.
Разработанный с нашим участием способ получения природного полисахарида хитозана из гаммаруса азовского обладает показателями, которые не отличаются, а иногда превосходят показатели, хитозана из ракообразных. 3.3 Исследования показателей хитозана, полученного из гаммаруса азовского Хитозан, полученный из гаммаруса азовского по разработанной технологии, безусловно, обладает рядом индивидуальных свойств, отражающих особенности мест обитания.
В таблице 3.4 представлены органолептические показатели хитозана полученного из гаммаруса азовского по разработанной технологии. Таблица 3.4 – Органолептические показатели хитозана Наименование Характеристика и значение показателя хитозан, полученный из гаммаруса азовского хитозан, полученный из ракообразных Вид мелковолокнистые частицы мелковолокнистые частицы Цвет розовый белый Запах без запаха без запаха Внешний вид полученного хитозана из гаммаруса азовского представлен на рисунке 3.3.
Как можно заключить из данного пункта, органолептические показатели гаммаруса азовского практически идентичны биополимеру, полученному традиционным способом из ракообразных. В данном случае отличием от хитозана по традиционной технологии является розовая окраска хитозана, вызванная отсутствием в технологии получения стадии отбеливания.
В лабораторных условиях были определены микробиологические показатели хитозана, полученного по разработанной технологии. Данные представлены в таблице 3.5. Таблица 3.5 – Микробиологические показатели
Наименование показателя Нормативный Фактическое МАФАнМ, КОЕ в 1 г продукта 4 10 3.9 10 Бактерии группы Е.coli не допускается не обнаружены Патогенные микроорганизмы не допускается не обнаружены Плесневые грибы 2 10 41,7 10 Микробиологические показатели хитозана, полученного из гаммаруса азовского, полностью соответствуют требованиям нормативной документации.
Исследования по определению физико-химических и минеральных показателей хитозана из гаммаруса азовского проводились в научно– исследовательской лаборатории института пищевой и перерабатывающей промышленности ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет». Данные представлены в таблицах 3.6,3.7. Таблица 3.6 – Физико-химические показатели хитозана
В результате можно сделать вывод, что физико-химические показатели хитозана из гаммаруса отличаются от хитозана, полученного по традиционной технологии из ракообразных, в лучшую сторону. Присутствие в хитозане незаменимых микроэлементов позволяет сделать заключение о целесообразности его применения в пищевых продуктах.
ИК–спектроскопией В условиях лаборатории КубГУ была проведена сравнительная характеристика хитозана из гаммаруса азовского с хитозаном из краба камчатского. Исследования хитозана из гаммаруса проводили по показателям элементарного состава и ИК– спектроскопии. Показатели элементарного состава представлены в таблице 3.8. Таблица 3.8 – Показатели элементарного состава
Определение микробиологических показателей и безопасности разработанных продуктов с добавлением хитозана
Во время проращивания в зерне сконцентрировано огромное количество питательных веществ, направленных на появление проростка. Это значит, что при внесении его в пищевой продукт и дальнейшем употреблении организм получит необходимые вещества в полном объеме.
Лук «Халцедон» холодоустойчивое растение. Семена прорастают уже при температуре близкой к 00С, но чем выше температура, тем процесс прорастания ускоряется. Всходы лука спокойно переносят заморозки –1-2 С. Посев семян осуществляют как можно раньше, до наступления высоких температур, чтобы у растения сформировалась корневая система. Наилучшая температура для роста и развития растения, выращиваемого из семян, 20 - 25С, более высокая (30 - 32С) – неблагоприятна, так как тормозит рост. Болгарский перец «Болгарец» — среднеранний гибрид, период от первых всходов до технической стадии спелости составляет 95-110 дней. Растение среднерослое, хорошо облиственное. Куст компактный, полуоткрытый, с поникающим расположением плодов. Плоды крупные и имеют конусовидную форму. В технической стадии спелости плоды имеют светло-желтую окраску, а в биологической стадии –красную. Средняя масса плода 110-140 г., толщина стенки 5–7 мм. Гибрид отличается устойчивостью к болезням. Отличается дружной отдачей урожая и высокой транспортабельностью плодов. Может употребляться в свежем виде или перерабатываться в консервы и маринады. Томаты «Силуэт» ранний гибрид для невысоких пленочных теплиц весеннее-летнего выращивания. Полудетерминантный, широколистный гибрид с мощной корневой системой. Хорошо завязывается в трудных условиях (более 7 кистей). Выращивается в два стебля с густотой не более 3 раст/м. Плоды округлой формы, плотные, красиво окрашенные, без зеленых пятен, с прекрасным вкусом. Отлично хранятся и транспортируются. Вес 140-160 г.
Устойчив к непогоде. Ранний, очень быстрый урожай, составляющий 5 кг с растения. Перец сладкий «Блонди». Гибрид, время до отлучения готового перца составляет 60 дней после посадки. Пригоден для выращивания в стеклянных теплицах, под пленкой и в открытом грунте. Урожайность 500-620 ц/га. Окраска плодов от светло-желтого до желтого. Толстостенные плоды кубовидной формы с гладкой кожицей. Среднерослое растение. Размер плодов 9,5 х 10 см. Вес плода 140-150 г. Предназначен для свежего потребления и для переработки. Устойчив к вирусу табачной мозаики и толерантен к картофельному вирусу. Густота посадки 30-50 тыс. растений /га.
Фасоль «Беседка» имеет короткий период от всходов до спелости – 55-65 дней. Высота растений от 1,5 до 3 метров. Внешний вид стручка – слабо изогнутый, ярко– желтого цвета. Длина составляет 13-15см., поверхность гладкая. Семена имеют форму эллипса кремового цвета. Фасоль богата клетчаткой, крахмалом, белками, жирами и незаменимыми аминокислотами, также в состав входит большое количество микроэлементов: калий, магний, натрий и другие. Зерна пророщенной фасоли нередко используют в пищевой промышленности для придания продукту функциональных свойств, так как в момент прорастания зерна показатели аминокислотного состава, макро, микроэлементов возрастают в разы. Шпинат «Вирофле. Скороспелый сорт. Листья обладают нежные вкусом зелено-желтоватого цвета. Лист мясистый. Морковь сорта «Шантанэ 2462» среднеранний сорт. Сбор урожая происходит 115-125 дней от всходов. Корнеплоды красно–оранжевые, усеченно– конические, тупоконечные, длиной 11-22 см., массой до 165 г. Мякоть плотная, сладкая, сердцевина средней величины. Сорт стабильно урожайный, неприхотливый, устойчивый к болезням и цветушности. Данный сорт обладает хорошими вкусовыми качествами. Сухих веществ до 15 %, -каротина 0,016-0,025%. Средняя урожайность корнеплодов – 500-670 ц/га, иногда до 750 ц/га.
Рис сорта «Рапан», сорт безостый. Рис имеет двухцветную окраску: ребра желтые, грани темно-желтые. Куст прямостоячий. Растение имеет высоту – 103-108 см. Количество колосков 80-120 шт. Пустозерность низкая, не более 9 %. Масса зерна 2,5-3,0 г. В лабораторных условиях были определены показатели общехимического, аминокислотного, жирнокислотного, витаминного и минерального состава овощного и зернового сырья. Данные исследования представлены в таблицах 3.11-3.14. Таблица 3.11 – Общехимический состав отобранных для экспериментов сортов овощного и зернового сырья
Исходя из полученных данных, можно заключить, что использование рыбных фаршевых смесей с добавлением 4%-ного раствора хитозана при производстве растительно-рыбных пищевых продуктов позволит получить продукт с улучшенными реологическими характеристиками. 3.7 Разработка рецептур растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана
Комплексное моделирование рецептур растительно-рыбных пищевых продуктов проводили с учетом анализа суточной потребности человека.
В начале проводили моделирование аминокислотного состава белка проектируемого пищевого продукта согласно методике моделирования.
В результате проведенных расчетов моделирования аминокислотного состава были получены 3 базовые рецептуры растительно-рыбных пищевых продуктов с добавлением хитозана.
