           На правах рукописи
ФИСЕНКО Михаил Олегович
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
КАЧЕСТВА ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ НАПИТКОВ С АНТИОКСИДАНТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных
продуктов и холодильных производств
Ставрополь – 2012
Работа выполнена на кафедре технологии молока и молочных
продуктов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
университет инженерных технологий»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
Мельникова Елена Ивановна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жидков Владимир Евдокимович Ставропольский технологический института сервиса (СТИС), ректор
кандидат технических наук
Будрик Владислав Глебович
ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии,
заместитель директора
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет»
Защита состоится «17» мая 2012 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при ФГБОУ ВПО Северо-Кавказском государственном техническом университете, 355028, г.Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. К308
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте СевКавГТУ www.ncstu.ru и ВАК РФ Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru/ru/dissertation/
Автореферат разослан « » 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Шипулин В.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Государственная программа «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года» предусматривает создание пищевых продуктов с заданным химическим составом и установленным физиологическим действием, способным предотвратить развитие алиментарно-зависимых заболеваний, таких как сердечно-сосудистые, онкологические, сахарный диабет и др.
Проблема снижения адаптационной устойчивости организма как следствие постоянного воздействия негативных факторов окружающей среды занимает основное место в экологии человека и приобретает все большую актуальность.
Согласно литературным данным более 100 заболеваний человека являются следствием «окислительного стресса», который возникает в результате нехватки антиоксидантов. Один из путей решения этой проблемы – обогащение традиционных продуктов массового потребления природными биологически активными соединениями.
К перспективным источникам антиоксидантов, традиционно, относится, растительное сырье. Но известно, что и вторичные продукты переработки молока также содержат антиоксиданты, в частности, творожная сыворотка в виду своего ценного химического состава. В настоящее время это невостребованный ресурс молочной отрасли, переработка которого на пищевые цели не превышает 25%. В этой связи применение творожной сыворотки для обогащения традиционных продуктов антиоксидантами представляется нам особенно актуальным.
Исследованиям в этих областях посвящены работы Бахтина И.А., Храмцова А.Г., Евдокимова И.А., Антипьева Е.В., Терах Е.И., Просенко А.Е., Клебанова Г.И., Яшина А.Я., Мельниковой Е.И., Полянского К.К., Rhodes C.J., Halliwell B. и др.
Однако, проблема обогащения традиционных продуктов питания антиоксидантами остается актуальной и приобретает все большую социальную значимость в условиях развивающегося демографического кризиса РФ.
Учитывая тенденции роста объемов производства и расширения ассортимента функциональных продуктов, на наш взгляд, перспективно получение полифункциональных пищевых композиций, сочетающих компоненты растительного и животного сырья, характеризующихся позитивным действием на организм человека, в том числе высокой антиоксидантной активностью. Реализация таких композиций в технологиях напитков открывает дополнительные возможности в решении проблемы комплексной, экологически безопасной и экономически целесообразной переработки вторичного молочного сырья, позволяет получить напитки функциональной направленности, эффективно предотвращающие состояние «окислительного стресса».
Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в соответствии с тематикой НИР кафедры технологии молока и молочных продуктов «Развитие физико-химических и биотехнологических основ производства молочных продуктов различного функционального назначения» (№ г. р. 01.2.00605297, 2006 – 2010 гг.).
Цель работы – получение полифункциональных композиций заданного уровня качества на основе творожной сыворотки и применение их в технологиях напитков с антиоксидантными свойствами (АОС).
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- обосновать способы физико-химической и биотехнологической модификации творожной сыворотки в полифункциональные углеводосодержащие композиции с повышенной антиоксидантной активностью (АОА);
- оптимизировать условия получения полифункциональных композиций (ПФК) на основе творожной сыворотки с применением углеводного комплекса цикория и топинамбура;
- предложить новые экспрессные способы контроля качественных характеристик творожной сыворотки, композиций на ее основе, напитков и устройства для их реализации;
- установить химический состав, коллоидную стабильность, антиоксидантную активность, функционально-технологические свойства и срок годности ПФК с применением традиционных и оригинальных методик;
- усовершенствовать технологии напитков с АОС на основе ПФК;
- изучить химический состав, физико-химические свойства, АОА, показатели качества и безопасности, сроки годности напитков, произвести оценку экономической эффективности предложенных технологических и технических решений и их опытно-промышленную апробацию на предприятиях отрасли.
Научные положения, выносимые на защиту.
- способы, условия получения, состав и свойства ПФК на основе творожной сыворотки;
- усовершенствованные технологии, состав и свойства, показатели качества напитков с повышенной АОА на основе ПФК.
Научная новизна.
Предложены способы и оптимизированы условия физико-химической и биотехнологической трансформации творожной сыворотки с применением инулинсодержащего сырья (цикорий, топинамбур) в ПФК.
Разработаны оригинальные способы для определения показателей качества и безопасности ПФК и напитков на их основе.
Подобраны и оптимизированы рецептуры напитков с АОА на основе ПФК, разработаны технологические решения для их реализации.
Установлен химический состав, свойства, показатели качества и безопасности, АОА, сроки годности ПФК и напитков на их основе.
Практическая значимость.
Предложенные способы физико-химической и биотехнологической трансформации творожной сыворотки позволяют получить ПФК (патент № 2409966) с АОС и повышенным коэффициентом эквивалентной сладости для алкогольных и безалкогольных напитков.
Разработаны устройства (проточная ячейка детектирования (патент № 2367938) и устройство для определения коллоидной стабильности (патент № 2426096)), позволяющие экспрессно определить качество творожной сыворотки, ПФК и напитков на их основе. Запатентованные технические решения прошли апробацию в условиях физико-химической лаборатории ОАО «Молкомбинат Воронежский».
Проведенная опытно-промышленная апробация напитков с повышенной АОА (ООО «Миллеровский винзавод» г. Миллерово Ростовской обл.) подтвердила экономическую, технологическую целесообразность и социальную значимость предложенных решений.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 3 и п. 7 паспорта специальности 05.18.04 – «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены в период 2008-2011 г. на ежегодных отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии – очно; научно-практических международных и всероссийских конференциях: XVI и XIX Российских молодежных научных конференциях «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург, 2006 и 2009); Х – XI Международных конференциях молодых ученых «Пищевые технологии» (г. Казань, 2009 – 2010); IV Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г. Барнаул, 2009); VIII Международном симпозиуме «Новые нетрадиционные растения и перспективы их использования» (г. Москва, 2009) – очно; III Всероссийской конференции с международным участием «Аналитика России» (г. Краснодар, 2009); Международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2009); Всероссийской молодежной конференции «Биотехнология растительного сырья, качество и безопасность продуктов питания» (г. Иркутск, 2009); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Воронеж, 2009) – очно; III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2010); II Международной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии пищевых производств» (г. Воронеж, 2010) – очно; IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (г. Воронеж, 2010) – очно; I-II Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (г. Ставрополь, 2010-2011); Международной научно-технической конференции «Современные достижения биотехнологии» (г. Ставрополь, 2011).
Результаты работы экспонировались на конкурсах и выставках, награждены 8 дипломами и 1 сертификатом участника.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в научно-технических журналах, 17 тезисов докладов и 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на Х страницах машинописного текста, содержит Х таблиц и Х рисунков. Список литературы включает Х наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены основные направления исследований, сформулированы цель и задачи диссертации.
Глава 1. Аналитический обзор литературы. Проанализировано современное состояние и перспективные направления развития пищевой промышленности.
Определены перспективные способы получения новых композиций с высокой антиоксидантной активностью, пищевой ценностью, коэффициентом сладости, коллоидной стабильностью, увеличенным сроком годности на основе творожной сыворотки творожной сыворотки.
Проанализировано современное состояние и перспективы применения антиоксидантов в напитках. Обоснован выбор объектов исследования, подтверждена актуальность темы.
Глава 2. Объекты, материалы и методы исследований.
Экспериментальные исследования проводили в соответствии с разработанной схемой (рисунок 1).
Объекты исследования: творожная сыворотка, получаемая при производстве обезжиренного творога на линии «Tewes Bis» (ОАО Молкомбинат «Воронежский») и ее ультрафильтрат; инулинсодержащее сырье (корневые клубни цикория и топинамбура); молочно-растительные экстракты цикория, топинамбура и стевии; алкогольные и безалкогольные напитки на их основе.
Рисунок 1 – Схема проведения исследований
Экспериментальные исследования проводили в научно-исследовательских лабораториях ВГУИТ, микробиологической лаборатории ООО фирма «Малыш» (г. Воронеж), научно-испытательной лаборатории автономного научно-технического центра «Комбикорм» (г. Воронеж), химической лаборатории ОАО «Прогресс» (г. Липецк), филиале Менделеевского центра стандартизации и метрологии (г. Орехово-Зуево).
Методы исследований – стандартные и общепринятые в ис-следовательской практике, а также модифицированные, специ-альные и оригинальные, выполненные с применением современных приборов и информационных технологий для оценки свойств сырья, полуфабрикатов и продукции. Химический состав полифункциональных композиций и напитков на их основе определяли следующим образом: аминокислоты – методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105»; углеводы – методом высокоэфективной жидкостной хроматографии на приборе «Varian 920 – LC»; антиоксидантную активность – амперометрическим методом на приборе «Цвет-Яуза-01-АА»; биофлавоноиды – спектрофотометрическим методом. Для оценки качества творожной сыворотки, полифункциональных композиций и напитков нами разработаны и запатентованы:
- устройство для определения мутности жидких дисперсных систем, основанное на измерении интенсивности света, рассеянного пробой;
- проточная ячейка детектирования осмофорических компо-нентов, принцип действия которой основан на регистрации изменения частоты колебаний сенсора с нанесенным на него специфическим модификатором при сорбции им компонентов жидких фаз.
Технико-экономические показатели рассчитывали по методикам определения экономической эффективности в молочной промыш-ленности. Математическую обработку эксперимента проводили методами математической статистики, оптимизацию рецептур – симп-лекс-методом. Расчеты, построение графиков и их описание осу-ществляли с помощью приложений Microsoft Office 2007, Компас График и «MathCAD, version 14.0».
Глава 3. Получение полифункциональных композиций на основе творожной сыворотки. Для адаптации химического состава и свойств ультрафильтрата творожной сыворотки к технологии напитков с АОС нами обосновано его применение в качестве экстрагента углеводного комплекса растительного сырья (цикорий, топинамбур) с последующей биоконверсией инулина в полученных экстрактах.
При менение нового экстрагента позволяет повысить эффективность процесса за счет увеличения ионной силы раствора (табл. 1), содержащего минеральные вещества, в сравнении с водой – традиционным экстрагентом.
Таблица 1 – Сравнительная характеристика ионной силы экстрагентов
Наименование экстрагента
|
Ионная сила, моль/л
|
Вода питьевая
|
0,0099409
|
Цельное молоко
|
0,085
|
Ультрафильтрат творожной сыворотки
|
0,074
|
В процессе экстрагирования существенно улучшаются органо-лептические показатели творожной сыворотки вследствие сорбции лактозой ароматических компонентов растительного сырья. Это подтверждается изменением формы и площади «визуального образа» экстрактов в сравнении ультрафильтратом творожной сыворотки (рис. 2).
Модификаторы сенсоров:
1 – полистирол; 2 – дифенилкарбазид; 3 – ПЭГС;
4 – апиезон L; 5 – поливинил-ацетат; 6 – динонилфталат.
Рисунок 2 – «Визуальные образы», полученные
с применением проточной ячейки детектирования:
а – ультрафильтрат творожной сыворотки;
молочно-растительные экстракты: б – цикория, в –топинамбура
В качестве основных факторов, влияющих на экстрагирование, нами изучены: Х1 – температура, °С; Х2 – продолжительность процесса, мин; Х3 – гидромодуль; Х4 – рН экстрагента, ед. рН; Х5 – степень измельчения клубней, мм. Все факторы совместимы и некоррелируемы между собой. Критерий оценки оптимизации процесса экстрагирования – массовая доля сухих веществ в экстракте (Y, %).
Для построения статистической модели применяли централь-ное композиционное ротатабельное униформ-планирование (дроб-ный факторный эксперимент 25-1). В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процессы экстрагирования физиологически ценных нутриентов топинамбура (1) и цикория:
Y = 14,92 + 0,18·X1 + 0,96·Х2 – 0,12·X3 – 0,21·X4 + 0,27·Х1·Х2 –
– 0,09·Х1·Х5 + 0,14· Х2·Х5 + 0,72·Х12 + 0,23·Х22 + 0,57·Х32 +
+ 0,13·Х42 – 0,16·Х52 (1)
Ридж-анализ позволил установить оптимальные параметры экстрагирования нутриентов корневых клубней инулинсодержащего сырья (табл. 2).
Таблица 2 – Оптимальные условия получения
молочно-растительных экстрактов (патент РФ № 2409966)
Наименование показателя
|
Темпе-ратура, Х1 ,°С
|
Про-должи-тель-ность, Х2 , мин
|
Гид-ромо-дуль, Х3
|
рН сре-ды, Х4 , ед.
|
Степень измельче-ния корневых клубней, Х5, мм
|
Экстракт топинамбура
|
52
|
45
|
1 : 7
|
4,5
|
1,3
|
Экстракт цикория
|
46
|
50
|
1 : 6
|
4,6
|
1,4
|
Для повышения коэффициента эквивалентной сладости полученных композиций предложено проводить ферментативную биоконверсию инулина до содержания в них фруктозы 4 – 5 %, что обеспечивается степенью его гидролиза 28 – 30 %.
Оптимизированы параметры биоконверсии инулина в молочно-растительных экстрактах цикория и топинамбура (температура – 48 °С, продолжительность процесса – 160 мин; количество ферментного препарата – 0,17 ед./г инулина; рН среды – 4,6 ед), обеспечивающие заданную степень гидролиза.
Широкий спектр функциональных нутриентов (табл. 3) с известными механизмами позитивного действия позволяет пози-ционировать полученные пищевые композиции как поли-функциональные и примененять их для обогащения продуктов витаминами, минералами, антиоксидантами и придания пребиотических свойств.
Основной моносахарид экстрактов (рис. 3, табл. 4) – фруктоза, характеризуется высоким коэффициентом сладости (Ксл = 1,8 ед. SES), низким гликемическим индексом (ГИ=19) и относится к функциональным нутриентам.
|
