Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информавдоннои литературы
1.1 Топинамбур - перспективное сырьё для производства функциональных продуктов питания 7
1.1.1 Химический состав и свойства топинамбура (Helianthus tuberous L.) і
1.1.2 Физиологически ценные ингредиенты топинамбура 11
1.1.3 Использование продуктов переработки топинамбура в лечебном питании 12
1.2 Пектин - как функционально активный компонент пищи 16
1.2.1 Лечебно-профилактические свойства пектиновых веществ... 16
1.2.2 Анализ существующих способов получения пектинов из различного сырья 19
1.2.3 Применение пектинопродуктов в питании населения 24
1.3 Ассортимент и существующие технологии производства
функциональных продуктов питания на основе топинамбура 26
Заключение. Задачи собственных исследований 29
2 Постановка исследований 31
2.1 Объекты исследований 31
2.2 Методы исследований 33
З Исследование свойств функционально активных ингредиентов Топинамбура 51
3.1 Изучение углеводного комплекса различных сортов топинамбура, районированного в Краснодарском крае и республике Адыгея 51
3.2 Разработка технологии получения пектина из топинамбура 53
3.3 Изучение свойств пектина из топинамбура 58
3.3.1 Изучение качественных характеристик и определение молекулярной массы пектина из топинамбура 58
3.3.2 Влияние тепловой обработки на связывающую способность пектина из топинамбура .59
3.3.3 Потенциометрическое исследование деструкции пектина из топинамбура в щелочной среде в сравнении с другими видами
пектинов 61
3.4 Изучение кинетики гидролиза инулина из топинамбура в различных условиях 74
4 Разработка научно-обоснованных рецептур и технологий производства функциональных продуктов питания на основе топинамбура 78
4.1 Обоснование выбора основного и вспомогательного сырья 78
4.2 Разработка рецептуры и технологии производства пюре на плодоовощной основе 81
4.3 Разработка рецептуры и технологии производства сока на плодоовощной основе 89
4.4 Разработка рецептуры и технологии производства пасты на плодоовощной основе 94
5 Исследования качества и безопасности новых пищевых продуктов 98
5.1 Органолептическая оценка. 98
5.2 Изучение химического состава разработанных продуктов питания 98
5.3 Токсикологические показатели безопасности 100
5.4 Определение сроков хранения новых продуктов питания 101
6 Промышленная апробация разработанных технологий и оценка их экономической эффективности 103
Выводы и рекомендации 108
Список использованных источников
- Физиологически ценные ингредиенты топинамбура
- Разработка технологии получения пектина из топинамбура
- Разработка рецептуры и технологии производства пюре на плодоовощной основе
- Изучение химического состава разработанных продуктов питания
Введение к работе
Создание и использование продуктов функционального питания является основной составляющей концепции здорового питания населения России. Эти продукты способны регулировать многочисленные функции организма человека, сохранять, улучшать здоровье людей и снижать риск возникновения алиментарных заболеваний. Для производства функциональных пищевых продуктов используют сырье, которое содержит в нативном виде значительные количества физиологически активных макро- и микронутриентов, а также дополнительно обогащают продукты питания биологически активными веществами.
В связи с этим, поиск новых источников пищевых ресурсов и использование нетрадиционного сырья растительного происхождения для производства функциональных продуктов питания является одной из важных проблем перерабатывающих отраслей АПК.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся исследования, направленные на изучение состава, свойств и областей применения такой уникальной растительной культуры, как топинамбур или, как ее еще называют, «земляной груши».. Клубни топинамбура признаны ценным источником большого количества биологически активных веществ, положительно влияющих на процессы, происходящие в организме человека. Профилактический и лечебный эффект топинамбура определяется его уникальным биохимическим составом, что дает возможность использовать его в пищевой промышленности и медицине. Поэтому исследования, направленные на создание новых продуктов питания функционального назначения на основе топинамбура представляют сегодня теоретический и практический интерес.
Целью данной работы является разработка и промышленное внедрение научно-обоснованных рецептур и технологий функциональных продуктов питания на основе топинамбура.
Для достижения поставленной цели было предусмотрено решение следующих задач:
исследовать функционально активные компоненты топинамбура, районированного в Краснодарском крае и республике Адыгея, изучить его углеводный комплекс (инулин, фруктоза, пектиновые вещества);
разработать математическую модель прогнозирования выхода пектиновых веществ из топинамбура при различных условиях процесса гидролиза-экстрагирования;
изучить свойства пектиновых веществ топинамбура, определить их качественные и количественные показатели в сравнении с другими видами пектинов;
исследовать показатели, характеризующие процесс гидролиза инулина в плодоовощных композициях на основе топинамбура;
разработать рецептуры и технологию новых продуктов питания функционального назначения на основе топинамбура;
провести комплексную оценку и опытно-промышленную апробацию новых продуктов на основе топинамбура по показателям качества и безопасности;
разработать техническую документацию на новые продукты.
Физиологически ценные ингредиенты топинамбура
Как уже отмечалось, мощный профилактический и лечебный эффект топинамбура определяется его биохимическим составом. Рядом авторов /91,125, 136,158/установлено, что его уникальный химический состав оказывает положительное влияние на все звенья и механизмы системы пищеварения.
В качестве основных функционально активных ингредиентов топинамбура выделяются инулин и пектиновые вещества.
Известно, что инулин оказывает благотворное влияние на весь организм человека. Попадая в желудочно-кишечный тракт, инулин расщепляется соляной кислотой и ферментами на отдельные молекулы фруктозы и короткие фруктозные цепочки /26, 125/. Оставшаяся нерасщепленной часть инулина выводится, связав с собой большое количество вредных для организма веществ (тяжелые металлы, радионуклиды, кристаллы холестерина, жирные кислоты и т.д.), попавших в организм с пищей или образовавшиеся в желудочно-кишечном тракте болезнетворных микробов. Кроме того, инулин стимулирует сократительную способность кишечной стенки, что приводит к увеличению очищения организма от шлаков, неперевари-ваемой пищи, вредных веществ /77,140, 175/. Инулин и короткие фруктозные цепочки обладают выраженным желчегонным действием, которое усиливается в связи с облегчением оттока желчи из печени и желчного пузыря в двенадцатиперстную кишку, обусловленным улучшением опорожнения желудка. Инулин уменьшает всасывание глюкозы из пищи в стенки кишечника.
Органические полиоксикислоты, в обилии содержащиеся в топинамбуре, нейтрализуют болезнетворное влияние свободных радикалов и недоокисленных продуктов обмена. При этом в кишечнике устанавливается физиологическая щелочная реакция, необходимая для нормального переваривания пищи.
Лечебные свойства топинамбура определяются и наличием в нем пектиновых веществ - до 11 % от массы сухого вещества. Пектин - это высокомолекулярный углевод, из которого состоит мембрана клетки и межклеточное вещество растений. Он обладает адсорбирующими и студ-необразующими свойствами, плохо усваивается в кишечнике, но хорошо адсорбирует на своей поверхности и выводит из организма ядовитые вещества, холестерин и триглицириды /74/.
Инулин в виде муки, приготовленной из топинамбура, является одной из основных частей комбинированных пребиотиков, широко используемых в США и Европе как средство для профилактики многих заболеваний. Известно, что инулинсодержащие растения эффективны при лечении атеросклероза, сахарного диабета, ожирения и различных интоксикаций /27,52,137,140,151/.
Топинамбур обеспечивает повышение устойчивости к бактериальной и вирусной инфекциям органов пищеварения, а также различным паразитам, попадающим в органы пищеварения (лямблии, описторхисы). Создает оптимальные условия для работы нормальной микрофлоры кишечника (бифидобактерии). Этим объясняется явный позитивный эффект топинамбура при дисбактериозе. Назначение взрослым здоровым людям по 9 г инулина ежедневно показало, что люди с высоким содержанием бифидобактерии практически не реагируют на назначение инулина, в то время при сниженном исходном содержании бифидобактерии отмечалось резкое возрастание этих микроорганизмов в кишечнике. Одновременно отмечалось
Также топинамбур оказывает благотворное влияние на функциональную активность печени. Улучшая утилизацию глюкозы, он способствует синтезу гликогена, а значит, обеспечивает более высокий уровень энергетического обмена, что, в свою очередь, стимулирует процессы синтеза белка, холестерина, желчных кислот и т.д. Инулин, восстанавливая деятельность желудочно-кишечного тракта и, за счет своих свойств сорбента частично нейтрализуя токсические вещества в кишечнике и крови, разгружает печень и сохраняет ее возможности необходимые организму в борьбе с различными заболеваниями и вредными факторами окружающей среды/52, 141,168/.
Топинамбур,, в отличие от многих фармакологических, препаратов,-не только не противопоказан при большинстве болезней печени, но является одним из эффективных и перспективных средств при остром хроническим гепатите вирусного, алкогольного, токсического, аутоиммунного происхождения, циррозе /52/.
Топинамбур также рекомендуется для больных сахарным диабетом. Регулярное употребление топинамбура снижает уровень сахара в крови по ряду причин: 1) молекулы инулина, нерасщепленные соляной кислотой в желудке, адсорбируют большое количество пищевой глюкозы после еды; 2) клетчатка тоже сорбирует глюкозу, препятствуя ее всасыванию в кровь; 3) уменьшается глюконеогенез (образование глюкозы в печени); 4) стимулируется сжигание глюкозы по резервному пути (гликолиз), где роль инсулина не так велика; 5) стабильное снижение уровня глюкозы в крови приводит к выработке собственного инсулина клетками поджелудочной железы; 6) синтезу инсулина способствуют минеральные вещества, содержащиеся в топинамбуре, - кремний, цинк, марганец, калий.
Но главная причина, делающая его особенно ценным для питания больных сахарным диабетом, - уникальная способность фруктозы проникать в клетки всех органов без участия инсулина и полноценно замещать глюкозу в обменных процессах. При этом заметно уменьшается энергетический клеточный голод. Более того, короткие фрагменты молекул инулина, встраиваясь в клеточную стенку, облегчают прохождение внутрь клетки самой глюкозы. Все это ведет к снижению концентрации сахара в крови, которое не сопровождается резкими колебаниями в течение- суток; А ведь именно это и является главной задачей при лечении инсулинозависи-мого диабета/91,159,162,175/.
Инулин, клетчатка и пектин связывают и выводят из организма вредные вещества, ацетон, продукты нарушенного обмена веществ, препятствуя развитию ацидоза /77/. Улучшается состояние сосудов и, соответственно, уменьшается тяжесть осложнений. Улучшаются иммунологические показатели крови, и уменьшается склонность больных к инфекционным заболеваниям /52, 77/.
Способность топинамбура и его производных снижать массу тела при ее исходном избытке доказана в ряде клинических исследований. Курсовое назначение топинамбура приводило к улучшению углеводного и жирового обменов, снижению уровня инсулина в крови, отражающему улучшение чувствительности клеток к этому гормону, и, как, следствие, уменьшению массы тела /91,140/.
Разработка технологии получения пектина из топинамбура
Из приведенных физиологически функциональных ингредиентов наибольший интерес представляет пектин. Содержание его в сырье достаточно высокое (около 8 % на сухое вещество).
Нами проведены исследования по определению оптимальных условий выделения пектина с целью изучения его качественных характеристик. Полученные данные могут быть также использованы при разработке технологии получения пектина из этого сырья. При этом учитывался ряд факторов: a) увеличение температуры, продолжительности теплового процесса и понижение рН при гидролизе до определенных пределов способствует увеличению выхода пектина, но одновременно сопровождается снижением его желирующей способности из-за усилившийся деградации;
b) низкая температура и недостаточная кислотность среды приводят к неполному гидролизу, потере пектина и снижению его качества; c) недостаточная промывка выжимок перед гидролизом ухудшает соотношение пектина и остаточных балластных веществ в экстракте. Результатом этого является повышение расхода спирта на коагуляцию и увеличение его потерь, затруднение прессования коагулята. Желирующая способность пектина снижается, увеличивается расход соляной кислоты; d) чрезмерное перемешивание приводит к изменению набухания выжимок, что затрудняет отцеживание экстракта; e) чрезмерное увеличение концентрации пектина в экстракте из-за изменения объема воды, применяемой при экстракции, может явиться причиной затруднений при отцеживании и фильтрации /48, 75, 108/.
Для установления оптимальных параметров процесса гидролиза-экстрагирования был использован метод планирования экспериментов с использованием ротатабельных планов второго порядка Бокса - Хантера, дающих возможность проведения оптимального количества экспериментальных исследований /14/.
Так, как из литературных данных известно, что выход пектина зависит от различных условий, нами выбраны следующие основные факторы процесса: Xi - рН среды, Хг - температура, С, Хз - время гидролиза, час, для которых были установлены уровни и интервалы варьирования, таблица 4. Для трехфакторного эксперимента суммарное число опытов для проведения одного эксперимента - 20, количество опытов в центре плана -6, звездное плечо составляет 1,682.
Согласно схеме планирования трехфакторного эксперимента, порядок и режимы проведения опытов должны быть представлены в следующем виде, таблицы 5, 6.
Технологический процесс выделения пектиновых веществ из топинамбура заключался в следующем. Клубни его измельчали, добавляли воду (80 - 98 С), при этом температуру смеси доводили до 50 - 100 С. Массу перемешивали в течение 60 минут, с пуском мешалки добавляли соляную кислоту до установления рН в пределах 1,0 - 3,0. После окончания непрерывного перемешивания смесь оставляли в «относительном покое» на 0,5 - 2,0 часа. Смесь фильтровали, разделяя выжимки и фильтрат. Фильтрат подкисляли до рН=2, охлаждали до температуры 20 - 25 С и проводили осаждение пектина, согласно общепринятой методике /48/.
Параметры экспериментов и результаты проведения гидролиза-экстрагирования пектина из топинамбура представлены в таблице 6.
После проведения обработки результатов эксперимента и отсева незначимых коэффициентов, было получено уравнение регрессии, описывающее изменение содержания пектиновых веществ в ходе процесса гидролиза-экстрагирования при различных условиях..
Разработка рецептуры и технологии производства пюре на плодоовощной основе
Технологический процесс производства заключается в следующем. Топинамбур доставляют на завод в дощатых ящиках, либо в ящичных поддонах. Клубни топинамбура имеют тонкую кожицу, практически лишенную пробкового слоя, что приводит к быстрому увяданию клубней. Поэтому пре 82 дельный срок хранения топинамбура на сырьевой площадке не должен превышать 48 часов. Наиболее перспективным способом длительного хранения топинамбура является хранение в условиях модифицированной газовой среды в охлаждаемых овощехранилищах /68, 77/. Хранение осуществляют при температуре 0 - 20 С в течение трех месяцев.
Топинамбур сортируют на конвейерах типа А9-КТФ, отбирая при этом гнилые, пораженные вредителями и болезнями, нетипичные по форме экземпляры, а также посторонние примеси. Пригодный для переработки топинамбур моют и ополаскивают в проточной воде, в трех последовательно установленных моечных машинах - двух щеточных и одной водоструйной. При значительном загрязнении клубней их предварительно замачивают в ванне с чистой проточной водой. Качество мойки систематически контролируют. Топинамбур должен быть полностью отмыт от остатков земли и других загрязнений, являющихся источником попадания в продукт спор микроорганизмов.
Осуществляют с помощью карборундовой моечно-очистительной машины типа КНА - 600М или с помощью паро-термического агрегата типа 2439К.
По сравнению с механическим способом паро-термический способ наиболее эффективен. Способ позволяет подорвать кожицу клубня за счет перепада давления и высокой температуры, тем самым инактивируя практически на 80 % полифенолоксидазу, которая содержится в кожице клубней топинамбура. Этот фермент отвечает за окисление фенолов топинамбура, приводящее к потемнению цвета готового продукта. Отходы при паро-термической обработке составляют 3 - 5 %, в отличие от механического способа очистки, при котором отходы составляют 30 - 40 % /68/.
После очистки топинамбур моют в барабанной моечной машине типа А9-КМ-2. Инспекцию и доочистку осуществляют на конвейерах, снабженных ополаскивателем типа А9-КТФ. Измельчение топинамбура — резку или дробление проводят для ускорения процессов разваривания. Топинамбур измельчают на дробилках типа Д1-7,5, с режущими устройствами ножевого типа, на кусочки размером 3-5 мм. Измельчение происходит в атмосфере пара, для предотвращения ферментативного окисления полифенольных веществ топинамбура.
Разваривание топинамбура паром более эффективно. Для разваривания паром кусочков топинамбура от 3 до 10 мм достаточно 25 - 30 минут. Разваривание осуществляют острым паром при температуре 98 С в течение 25 -30 минут на шнековых шпарителях, типа ЛЕ-18. Полученная пюреобразная масса топинамбура должна иметь массовую долю сухих веществ не ниже 12 % (по рефрактометру). Если массовая доля сухих веществ ниже, производят концентрирование в вакуум аппаратах.
Пюре — полуфабрикаты плодовые и ягодные хранят в чистых, сухих, хорошо вентилируемых складских помещениях при температуре от 0 до 25 С без резких колебаний температур, без доступа солнечных лучей и при относительной влажности воздуха не более 75 %.
Банки с плодово-ягодными полуфабрикатами тщательно моют, а затем вскрывают в отдельном помещении. При наличии скола на горловине банки полуфабрикаты в производство не допускаются.
Дозирование подготовленных пюре и остальных компонентов осуществляют массовым или объемным способом в зависимости от продукта. Пюре из топинамбура смешивают с плодовыми шоре в соответствии с рецептурой.
Ядра орехов грецких инспектируют, измельчают на волчке. Измельченное сырье пропускают через просеиватель с магнитным улавливателем и дозируют.
Отруби пшеничные просеивают, соединяют с пектином при непрерывном перемешивании, гидратируют водой и оставляют для набухания на 30 -40 минут.
Изучение химического состава разработанных продуктов питания
Разработана и утверждена техническая документация на разработанные технологии Техническая документация на новые продукты функционального назначения на основе топинамбура приведена в приложении А. В соответствии с разработанной нами технической документацией на производство плодоовощного сока, пюре и пасты функционального назначения (ТУ 9162 - 107 - 02067862 - 2004 «Плодоовощной сок» и ТИ, ТУ 9163 - 051 - 02067862-2002 «Пюре консервированное плодоовощное» и
ТИ), на серийном производственном оборудовании цеха по переработке плодов УНПЛК «Технолог» была произведена промышленная апробация технологий новых продуктов функционального назначения на основе топинамбура (приложение Б).
Результаты научных разработок используются в учебном процессе (лекционный курс, курсовое проектирование, лабораторный практикум) » (приложение В).
Нами произведен расчет ожидаемого экономического эффекта при менения технологий производства продуктов функционального назначения на основе топинамбура выполнен применительно к производству продук тов функционального назначения на Динском консервном заводе ст. Дин-ская Краснодарского края, в ценах на сентябрь 2003 года.
Установлено, что себестоимость пасты составляет 25,26 рубля за 1 кг. С учетом проектируемой рентабельности производства продукции - 20 %, оптовая цена составит 30,32 рубля за 1 кг пасты.
1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор наи более технологичного сорта топинамбура для использования в производстве продуктов питания функционального назначения. Наибольшее количество пектиновых веществ и инулина содержится в клубнях топинамбура сорта «Интерес».
2. Разработана математическая модель и определены оптимальные тех нологические параметры проведения процееса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ топинамбура: рН — 2, температура — 85 С, время - 1 час, при этом их выход составляет 1,84 %. Получено уравнение регрессии и выявлено влияние факторов - температуры, рН-среды и времени проведения гидролиза-экстрагирования на выход пектиновых веществ. Наиболее значимыми факторами являются: кислотность среды и температура проведения гидролиза.
3. Определены качественные и количественные показатели пектиновых
веществ топинамбура в сравнении с товарными образцапми пектинов (яблочный, цитрусовый, свекловичный). Установлено, что по содержанию свободных (5,3 %) и метоксилированных карбоксильных групп (8,7 %), степени этерификации (47,2 %), молекулярной массе (27150 Да) и связывающей способности (76,5 %) пектиновые вещества топинамбура существенно не отличаются от коммерческих пектинов.
4. Методом потенциометрического титрования установлено, что при щелочном гидролизе пектиновых веществ топинамбура происходит деэтерификация молекулы пектина и образуется свободная галакту роновая кислота. Её количество не превышает количества галактуро новой кислоты, образующейся при щелочном гидролизе яблочного пектина, поэтому связывающая способность пектина из топинамбура по отношению к ионам свинца (76,5 %) также достаточно высока.
5. Проведены исследования по гидролизу инулина топинамбура и установлено, что содержание фруктозы при кислотном гидролизе составляет 6,15 %, при ферментативном и кислотном гидролизе после инактивации ферментов соответственно - 3,91 % и 3,84 %. Рассчитаны константы скорости реакции гидролиза инулина топинамбура.
6. Предложено использование в рецептурных композициях комбинации топинамбура и плодоовощных компонентов, имеющих низкую кислотность, благодаря чему значительно активизируется процесс гидролиза инулина с образованием фруктозы и, следовательно, улучшаются функциональные свойства готового продукта.
7. Разработаны технологии и рецептуры новых видов плодоовощных консервов функционального назначения на основе топинамбура и техническая документация на их производство.
8. Проведена опытно-промышленная апробация новых технологий и комплексная оценка продуктов функционального назначения на основе топинамбура по показателям качества и безопасности.
9. Рассчитан ожидаемый экономический эффект от реализации 1 тонны разработанных продуктов, который составит: «Плодоовощной сок» и «Плодоовощная паста» -5,5 тыс руб.; «Плодоовощное пюре» -9,7 тыс. руб.
