Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 12
1.1 Инулин и фруктозо-глюкозный сироп - полифункциональные ингредиенты 12
1.2 Анализ существующих технических и технологических решений при получении инулина и фруктозо-глюкозного сиропа 19
1.2.1 Получение инулина в различных товарных формах . 19
1.2.2 Получение фруктозо-глюкозного сиропа . 24
1.3 Характеристика топинамбура как сырья для получения инулина и фруктозо-глюкозного сиропа 27
1.3.1 Проблемы хранения и технологической обработки клубней топинамбура в качестве сырья для производства инулина и фруктозо-глюкозного сиропа 33
1.3.2 Использование топинамбура и продуктов его переработки в производстве функциональных продуктов питания 38
1.4 Цели и задачи исследований 41
2 Объекты и методы исследований 44
2.1 Объекты и техника исследований 44
2.2 Методы исследований 47
3 Экспериментальная часть 55
3.1 Изменение углеводного состава и технологических свойств клубней топинамбура различных сортов при хранении до переработки 55
3.2 Обоснование способов и режимов экстрагирования инулина и фруктоолигосахаридов из клубней топинамбура 64
3.3 Обоснование применения ферментативной обработки при производстве фруктозо-глюкозного сиропа 73
3.4 Разработка комплексной усовершенствованной технологии переработки клубней топинамбура с получением инулина и фруктозо-глюкозного сиропа 81
3.5 Идентификация продуктов, полученных по усовершенствованной технологии, с применением спектрометрических и электрофоретических методов анализа 88
3.6 Обоснование рецептур и технологий производства молочных продуктов функционального назначения с инулином, фруктозо-глюкозным сиропом и -каротином 109
3.6.1 Разработка рецептуры и обоснование технологии малокалорийного мороженого с инулином и -каротином. Оценка его качества и безопасности 109
3.6.2 Разработка рецептур и обоснование технологий молочных и кисломолочных напитков с фруктозо-глюкозным сиропом и -каротином. Оценка их качества и безопасности 121
3.7 Промышленная апробация разработанных технологических решений и оценка их экономической целесообразности 133
Выводы и рекомендации . 134
Список сокращений и условных обозначений . 138
Список использованных источников
- Анализ существующих технических и технологических решений при получении инулина и фруктозо-глюкозного сиропа
- Использование топинамбура и продуктов его переработки в производстве функциональных продуктов питания
- Обоснование применения ферментативной обработки при производстве фруктозо-глюкозного сиропа
- Разработка рецептуры и обоснование технологии малокалорийного мороженого с инулином и -каротином. Оценка его качества и безопасности
Анализ существующих технических и технологических решений при получении инулина и фруктозо-глюкозного сиропа
Под воздействием низких температур и других неблагоприятных факторов инулин гидролизуется инулиназой до олиго- и моносахаров, которые встраиваются в клеточные мембраны, оказывая тем самым защитное действие на растительные клетки [49,52,55,62].
Инулин считается растворимым диетическим волокном и относится к функциональным ингредиентам. Благодаря тому что инулин не абсорбируется в желудке и тонком кишечнике, а ферментируется микрофлорой толстой кишки, регулярное употребление инулина в составе пищевых продуктов обеспечивает следующие оздоровительные эффекты на организм: создает оптимальные условия для роста и развития нормальной микрофлоры кишечника и предотвращает дисбактериоз, обеспечивает повышение устойчивости к бактериальной и вирусной инфекции органов пищеварения, а также к внедрению различных паразитов; устраняет инсулинорезистентность - повышает чувствительность к гормону инсулину, что снижает уровень сахара в крови. Так как расщепление фруктозы инулина не требует присутствия гормона поджелудочной железы -инсулина, это позволяет избежать "энергетического голода" клеток и нормализовать обмен веществ у людей, страдающих сахарным диабетом; регулирует углеводный обмен - в кислой среде желудочного сока гидролизуется с образованием фруктозы, которая усваивается организмом без инсулина, снижая чувство голода; нормализует жировой обмен - снижает уровень холестерина и триглицеридов в крови, что предотвращает развитие атеросклероза сосудов. Снижает массу тела с исходным избыточным весом за счет активации процессов утилизации жира, сопряженных с процессами усвоения глюкозы; нормализует уровень сахара в крови - нерасщепленные соляной кислотой в желудке молекулы инулина адсорбируют значительное количество пищевой глюкозы и препятствуют ее всасыванию в кровь, что способствует снижению уровня сахара в крови после приема пищи. Стабильное снижение уровня глюкозы приводит к нормализации выработки собственного инсулина клетками поджелудочной железы; способствует выработке энергии - большая часть энергии, необходимой для нормальной жизнедеятельности человека, образуется при расщеплении глюкозы.
Так как фруктоза гораздо легче усваивается организмом, то в клетках не развивается энергетический голод. Более того, короткие фрагменты молекул инулина, встраиваясь в клеточную мембрану, облегчают прохождение внутрь клетки и самой глюкозы. Улучшая утилизацию глюкозы, инулин способствует синтезу гликогена, что обеспечивает более высокий уровень энергетического обмена; нормализует обмен веществ - в отличии от неутилизированной глюкозы, которая превращается в продукты жирового обмена, фруктоза полностью используется организмом, предотвращая развитие ожирения, атеросклероза сосудов, ишемической болезни сердца, артериальной гипертонии; оказывает комплексное влияние на функциональную активность печени. Улучшая утилизацию глюкозы, он стимулирует процессы синтеза белка, холестерина, желчных кислот. Инулин, за счет обезвреживания токсических веществ в кишечнике и крови, значительно разгружает печень и сохраняет ее потенциал в борьбе с различными заболеваниями и факторами воздействия внешней среды [84,100,178]. Инулин обладает не только физиологической, но и технологической функциональностью. Он образует с водой кремообразный гель с короткой, жироподобной текстурой и таким образом имитирует наличие жира в диетических продуктах, обеспечивая им полноту вкуса и текстуры. Кроме того, инулин улучшает стабильность аэрированных продуктов (например, мороженого) и эмульсий (спредов, соусов) [54,79].
Диетическая норма потребления инулина - 5 - 8 г в сутки. Принято, что в порцию однократного потребления функционального продукта закладывается от 10 до 50 % суточной нормы. Если цель внесения - технологическая, то дозировка может быть выше, поскольку инулин начинает работать как улучшитель текстуры и вкуса при концентрации более 2 % [23,96,122,142]. Инулин получил достаточно широкое применение в пищевой промышленности. Имеются сведения о применение инулина в производстве различных видов хлеба из пшеничной и ржано-пшеничной муки, песочных изделий и кексах, пряниках и вафлях. Доказано, что внесение инулина не только делает хлеб более полезным, но и оказывает ряд технологических эффектов -улучшает показатели формоустойчивости, пористости, упека, усушки и выхода. Наряду с этим повышаются потребительские качества хлеба - улучшается его внешний вид и аромат, замедляется черствение. Рекомендуемая дозировка 2,5 -3,0 % к массе муки [64].
Благодаря своей универсальности инулин нашел применение и в молочной промышленности: при производстве молока, кисломолочных продуктов, масла, сыра, мороженого. Наиболее известные содержащие инулин продукты: кефир «Biomax эффективный» компании «Вимм-Билль-Данн» и линейка йогуртов «Эрмигурт prebiotic» компании «Эрманн». Группой компаний «Галактика» разработан инновационный продукт - пастеризованное молоко, обогащенное инулином. Это здоровый, функциональный продукт, идеально подходящий для диетического питания - жирность молока с инулином составляет всего 1 %. Один стакан или 200 граммов такого молока обеспечивает 20 % от рекомендуемой суточной потребности организма в инулине [1].
Инулин достаточно широко распространен в растениях, однако его содержание и степень полимеризации может быть различными. Данные по количественному и качественному содержанию инулина в различных культурных растениях представлены в таблице 1.1.
В настоящее время основным сырьем для получения инулина служит цикорий корнеплодный. Цикорий (Cichorium intybus) - род двухлетних или многолетних трав семейства астровых или сложноцветных. Род включает в себя два культивируемых вида и от четырх до шести диких. Содержание инулина в цикории достигает 20 % [130,144].
Использование топинамбура и продуктов его переработки в производстве функциональных продуктов питания
Определение массовой доли редуцирующих, общих сахаров и инулина проводили по методике, изложенной в работе [155].
В колбу емкостью 250 см3 отвешивали 10 г мелко измельченного растительного сырья. Предварительно извлекали сахара путем трехкратной обработки 80 – 82 % этиловым спиртом в течение 30 минут. После трех обработок материала спиртом достигали полное извлечение сахаров. Затем отгоняли спирт под вакуумом на роторном испарителе при температуре 40 - 45 0С.
После отгонки спирта в отгонной колбе остается небольшое количество сиропообразной жидкости, которую количественно переносят в мерную колбу на 250 см3, мешающие несахара осаждают, прибавляя к раствору в колбе 10 см3 1М раствора сульфата цинка и такой объем 1М раствора гидроксида натрия, который устанавливают отдельным опытом при титровании 10 см3 1М раствора сульфата цинка с фенолфталеином.
Содержимое колбы взбалтывали, доводили дистиллированной водой до метки, перемешивали и фильтровали в сухую колбу, которую предварительно ополаскивали 1-2 раза небольшой порцией фильтрата.
Для определения редуцирующих сахаров в коническую колбу вместимостью 100 - 150 см3 вносили 10 см3 раствора пробы, 25 см3 щелочного раствора гексацианоферрата калия. Колбу нагревали до кипения за 3 мин, кипятили ровно 3 мин и вводили 2 капли метиленового голубого, дотитровывали без прекращения кипячения раствором глюкозы до исчезновения синей окраски.
Для определения общего сахара проводили предварительный гидролиз сахарозы: в реакционную колбу вместимостью 100 - 150 см3 отбирали пипеткой 10 см3 раствора пробы и 4 см3 1М раствора HCl. Колбу ставили на электроплитку, жидкость доводили до кипения и кипятили 1мин, охлаждали до комнатной температуры. Затем в колбу вносили 2 см3 2М раствора гидроксида натрия для нейтрализации кислоты и 25 см3 щелочного раствора гексацианоферрата (III) калия. Далее проводили нагревание, кипячение и титрование, как и для определения редуцирующих сахаров.
Для определения инулина в колбу, где осталась навеска после удаления спирта, наливали 200 см3 воды и 2 часа нагревали в бурно кипящей водяной бане. Колба должна быть погружена в кипящую воду. Остывший экстракт количественно переносили в мерную колбу емкостью 250 см3 и доводили водой до метки. Хорошо перемешивали, фильтровали и отбирали 100 мл фильтрата в отдельную колбу. К отобранной части фильтрата добавляли 5 см3 10 % - ной соляной кислоты (из расчета ее содержания 0,5 %), соединяли с обратным холодильником и нагревали в горячей водяной бане в течение 1 часа. По окончании гидролиза смесь охлаждали и тотчас нейтрализовали 10 % - ной щелочью до слабокислой реакции (рН = 4,5). Нейтрализованную смесь количественно переносили в мерную колбу емкостью 200 см3, осаждали коллоидные вещества, прибавляя к раствору в колбе 10 см3 1М раствора сульфата цинка и такой объем 1М раствора гидроксида натрия, который устанавливали отдельным опытом при титровании 10 см3 1М раствора сульфата цинка с фенолфталеином.
Содержимое колбы взбалтывали, доводили дистиллированной водой до метки, перемешивали и фильтровали в сухую колбу, которую предварительно ополаскивали 1-2 раза
Идентификацию инулина проводили методом ИК-спектроскопии на ИК-ФТ спектрометре Spectrum Two (с использованием насадки НПВО). Спектры ЯМР 1Н и 13С образцов инулина, гетеро- и гомоядерные корреляционные спектры gHSQC, gHMBC и gCOSY образцов зарегистрированы на спектрометре Agilent 400/54 с рабочей частотой 400 МГц на ядрах 1Н и 100 МГц на ядрах 13С.
Сопротивляемость таянию закаленого мороженого определяли в соответствии с «Инструкцией по технохимическому контролю по производству мороженого» [91].
Для оценки органолептических свойств молочного мороженого, молочного и кисломолочного напитков использовали оценки по десятибалльной шкале, выставленные десятью дегустаторами. При этом брали во внимание внешний вид, вкус, запах и цвет, а также консистенцию продукта [91].
Определение содержания кадмия и свинца основано на использовании инверсионной вольтамперометрии Все опыты проводили не мене чем в трех повторностях. Обработку результатов экспериментов проводили с помощью пакетов прикладных компьютерных программ Exel - 2007 и Statistica 10.0.
Планирование экспериментов осуществляли с использованием центральных композиционных планов при определении технологических параметров и симплекс-методом при моделировании рецептур. Обработку экспериментальных данных проводили в пакете Statistica 10.0 [2,7].
Обоснование применения ферментативной обработки при производстве фруктозо-глюкозного сиропа
ИК спектры опытного и эталонного образцов в основном идентичны. Однако в испытуемом образце (рисунок 3.22) выявлена более сильная полоса поглощения в диапазоне 1245 – 1404 см-1, что объясняется высоким содержанием этерифицированных карбоксильных и гидроксильных групп, наличие которых свидетельствует о присутствии пектина.
Сопоставление графиков спектрометрии исследуемых образцов с эталоном позволяет сделать вывод о том, что испытуемый образец порошка инулина, полученного по усовершенствованной технологии, идентичен эталонному, но имеет примеси пектина в связи с его высоким содержанием в сырье.
Для установления химического строения инулина использовали методы спектроскопии ЯМР 1Н- 13С. С помощью данных спектров 1Н- и 13С ЯМР можно определить мономерный состав, наличие и локализацию функциональных групп, конфигурацию гликозидных связей, степень полимеризации, а также среднюю молекулярную массу полисахарида.
Из литературных данных известно, что инулин представляет собой полимер, состоящий из одного остатка , D-глюкопиранозы и нескольких остатков , D-фруктофуранозы, соединенных между собой гликозид-гликозидной связью, как это показано на рисунке 3.23 [153].
В головной цепи молекулы инулина имеется фрагмент остатка сахарозы, в котором соотношение , D-глюкопиранозы и , D-фруктофуранозы составляет
Принципиальное различие в строении сахарозы и инулина заключается в количестве фруктофуранозных остатков, приходящихся на один глюкопиранозный (рисунки 3.23 и 3.24).
С помощью метода ЯМР 1Н можно определить соотношение остатков , D-глюкопиранозы и , D-фруктофуранозы по интегральным показателям пиков, характерных для каждого атома водорода полисахарида.
В связи с этим, вначале подробно исследовали спектры сахарозы с использованием методов ЯМР 1Н (рисунок 3.25), ЯМР 13С (рисунок 3.26) и корреляционными градиентными методами gCOSY, gHSQC, gHMBC. HO
Химическая структура сахарозы Спектр gCOSY (COrrelation SpectroscopY) сахарозы - корреляционная 1H-1H спектроскопия, позволил оценить магнитные взаимодействия между протонами через электроны разделяющих их химических связей (рисунок 3.27).
Спектр gHSQC (Heteronuclear Singe Quantum Correlation) сахарозы -корреляционная 1H-13C спектроскопия, дал возможность оценить магнитные взаимодействия между углеродными атомами и непосредственно связанными с ними протонами, т.е. для связей C-H (рисунок 3.28).
Спектр gHMBC (Heteronuclear Multiple-Bond Correlation) сахарозы корреляционная 1H-13C спектроскопия, позволил исследовать дальние взаимодействия между углеродными атомами (рисунок 3.29). Двумерные спектры веществ, как правило, состоят из большого количества кросс-пиков. С одной стороны, это усложняет информационную картину, но, с другой - существенно увеличивает идентификационную возможность метода. В двумерных спектрах маловероятно совпадение положения даже двух кросс-пиков от разных веществ.
Совместное использование указанных методов позволяет сделать однозначное определение всех сигналов атомов водорода и углерода в молекуле сахарозы. Описание сигналов, полученных в результате спектроскопии ЯМР 1Н- и 13С представлено в таблице 3.4.
Как видно из спектра ЯМР 1Н, удобными для дальнейшего анализа являются сигналы экваториального 1-Н глюкопиранозного остатка в области 5,3 м.д и 3 -Н протона фруктофуранозного остатка в области 4,1 м.д. Они располагаются в спектре изолировано, на них не накладываются другие сигналы, их площадь легко подвергается интерпретированию, что позволяет использовать эти сигналы в дальнейших исследованиях образцов инулина.
Следующим этапом стало изучение спектров товарного инулина фирмы Beneo (эталон) и инулина, полученного по усовершенствованной технологии. Результаты спектрометрии ЯМР 1Н- и 13С представлены на рисунках 3.30 - 3.33.
Как видно, представленные спектры товарного инулина фирмы Beneo и инулина, полученного по усовершенствованной технологии, не отличаются по положению сигналов, но отличаются по интегральной интенсивности сигналов, принадлежащих , D-глюкопиранозным и , D-фруктофуранозным остатком.
Таблица 3.4 – Химические сдвиги атомов водорода и углерода в спектре ЯМР 1Н- и 13С сахарозы (химические сдвиги приведены относительно внутреннего стандарта ТМС)
Для образца товарного инулина фирмы Beneo соотношение интегральной интенсивности сигналов атомов водорода 1-Н глюкопиранозной формы и 3 -Н фруктофуранозной формы составило 1:(78), т.е. на один фрагмент глюкопиранозы в полисахариде приходится 78 фруктофуранозных остатков. Молекулярная масса этого соединения находится в интервале 1314 - 1476 Da.
Для инулина, полученного по усовершенствованной технологии, соотношение интегральной интенсивности этих же сигналов составило 1:(1213), т.е. молекулярная масса 2124 - 2286 Da. О том, что опытный образец инулина имеет более высокую молекулярную массу, свидетельствует увеличение интегральной площади в спектре ЯМР 1Н, что связано с повышением вязкости раствора образца по сравнению с образцом товарного инулина фирмы Beneo при одинаковой концентрации раствора.
Разработка рецептуры и обоснование технологии малокалорийного мороженого с инулином и -каротином. Оценка его качества и безопасности
На основе проведенных исследований и анализа существующих технических решений была разработана технологическая схема производства мороженого, обогащенного инулином и -каротином (рисунок 3.39), которая обеспечивает не только профилактические свойства готового продукта, но и высокие вкусовые показатели, а также оригинальный и привлекательный внешний вид.
Существенным достоинством предлагаемой технологии является то, что для осуществления производства вновь разработанного мороженого каких-либо изменений в машинно-аппаратурном оформлении линии по производству традиционного мороженого проводить не требуется.
Векторная схема производства мороженого молочного, обогащенного инулином и р-каротином Приемка и подготовка рецептурных компонентов.
Для выработки мороженого молочного, обогащенного инулином и р-каротином, должно применяться следующие сырье: Перед приготовлением смеси сухое цельное молоко и инулин тщательно перемешивают с предварительно просеянным сахаром-песком. Сливочное масло зачищают и измельчают на измельчителе маслоблоков, после чего направляют в плавитель.
Составление смеси для мороженого и ее подготовка к фризерованию. Подготовленные компоненты направляют в емкость для приготовления смеси. Закладка рецептурных компонентов осуществляется в соответствии с таблицей 3.10 п. 3.6.1. Первыми в смесительную ванну вносят жидкие продукты (воду, молоко и др.), подогревая их до температуры 35 - 45 С. Далее при постоянном перемешивании в ванну вносят сначала расплавленное сливочное масло, а затем - сухие компоненты.
Для удаления из смеси нерастворившихся комков сырья и возможных механических примесей е подвергают фильтрации. Температура фильтрования 35-45 С. Отфильтрованную смесь пастеризуют, процесс проводят при температуре 85 С с выдержкой 50 - 60 секунд.
Отфильтрованную смесь после пастеризации направляют на гомогенизацию. Операцию проводят при температуре 70 - 75 С и давлении: на первой ступени 21,5 МПа, второй – 3 МПа, что способствует повышению взбиваемости смеси. Гомогенизированную смесь подают в емкость с рубашкой, где охлаждают до температуры 4 - 6 С. Фризерование, закаливание, глазирование и фасовка мороженого. Подготовленную смесь фризеруют при температуре -6 С. Мороженое из фризера при температуре не выше -3 С подают в дозатор эскимогенератора для дозирования продукта в ячейки. Замораживание мороженого осуществляют с помощью фреонов или других хладоносителей при температуре не выше -40 С (при одновременной вставке в эскимо палочек). После закаливания продукт попадает в зону отепления, где извлекается из ячеек и переносится к ковшу для глазирования.
Температура мороженого перед глазированием должна быть не выше -18 -(-25) C, температура глазури в пределах 30 - 35 С. Эскимо глазируется методом окунания, обсушивается на воздухе и с помощью транспортера подается на заверточный автомат.
При выработке глазури закладку рецептурных компонентов осуществляют в соответствии с таблицей 3.11 п. 3.6.1. Сливочное масло перед смешиванием расплавляют при 35 С. При этой же температуре в масло вносят жирорастворимый -каротин и воду. Затем вносят сухое цельное молоко, предварительно смешанное с сахаром-песком. Смесь перемешивают и направляют в емкости для глазури.
Фасовка мороженого осуществляется в упаковку, обеспечивающую сохранность продукта на стадиях его хранения, транспортировки и реализации.
Срок годности готового продукта при температуре -18 C составляет 6 месяцев. На основании проведенных исследований разработана техническая документация на новый вид мороженого ТУ 9228-357-02067862-2013 «Мороженое молочное закаленное обогащенное».
В соответствии с разработанной документацией и технологической схемой, представленной на рисунке 3.39 п. 3.6.1, была выработана опытная партия молочного мороженого, обогащенного инулином и -каротином. Проведенная комплексная оценка нового вида продукции подтвердила его высокие вкусовые достоинства, пищевую и физиологическую ценность.
Перспективной областью применения ФГС является производство напитков, в том числе на молочной основе. В связи с этим, разработаны рецептуры и технологии молочного и кисломолочного напитков с ФГС. Для усиления функциональных свойств предложено в напитки вносить -каротин в качестве натурального красителя, антиоксиданта и провитамина
Для оптимизации рецептурной закладки ФГС готовили образцы молочного напитка, варьируя жирность молочной основы и содержание ФГС. Готовые образцы оценивали органолептически и результаты испытаний обрабатывали в пакете «Statistica».
На рисунке 3.40 показана пространственная модель «балльная оценка -массовая доля жира - массовая доля ФГС». Из графика видно, что с увеличением массовой доли ФГС до 25 % органолептическая оценка снижается, т.к. появляется излишне сладкий вкус. С повышением жирности молочной основы до 2,5 % вкусовые качества улучшались, но в образцах с жирностью более 3,2 % дегустационная оценка была ниже. Наилучшими органолептическими свойствами обладали напитки с массовой долей ФГС 5 - 7 % и жира 2,5 - 3 %.
Для усиления функциональных свойств, придания антиоксидантной активности и улучшения товарного вида в смесь вносили водорастворимый -каротин.
Поскольку в качестве антиоксиданта использовали -каротин, представляло интерес изучить его изменения в зависимости от параметров температурного воздействия при пастеризации.
Из представленных в таблице 3.15 данных видно, что с увеличением температуры и времени пастеризации концентрация -каротина снижается, но незначительно. Высокая термостабильность -каротина отмечена также в работах Кудиновой С.П., Павлюченко И.И. и др.[67,94].
