Совершенствование технологии пищевого гидратопектина из свекловичного жома для производства функциональных напитков
На правах рукописи
СТЕПОВОЙ Артем Васильевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОГО ГИДРАТОПЕКТИНА ИЗ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАПИТКОВ
Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки
злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,
плодоовощной продукции и виноградарства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» и НИИ Биотехнологии и сертификации пищевой продукции Кубанского ГАУ
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Родионова Людмила Яковлевна
Официальные оппоненты Ильина Ирина Анатольевна,
доктор технических наук, профессор, заместитель директора по НИР Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства Россельхозакадемии
Барашкина Елена Владимировна,
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет, доцент кафедры технологии и организации питания
Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский Федеральный университет» филиал в г. Пятигорске
Защита состоится «27» ноября 2013 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 006.056.01, в Государственном научном учреждении Северо-Кавказском зональном научно-исследовательском институте садоводства и виноградарства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 350901, г. Краснодар, ул. 40 лет Победы, 39.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства Российской академии сельскохозяйственных наук.
Автореферат разослан: «26» октября 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 350901, г. Краснодар, ул. 40 лет Победы, 39, тел./факс 8 (861) 257-57-02,
e-mail: [email protected]
Ученый секретарь диссертационного
совета, канд. с.-х. наук В.В. Кудряшова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Проблема ухудшения экологической ситуации в России стоит на одном из первых месте. Увеличивающееся количество автомобилей, отсутствие мусороперерабатывающих предприятий, повсеместное развитие химических производств негативно сказывается на здоровье человека. Для решения этой проблемы и хотя бы частичного восстановления и сохранения функций организма необходимы разработки продуктов питания функционального назначения, обладающих определенными свойствами и содержащие в своем составе ингредиенты, определяющие их назначение. Одним из функциональных ингредиентов являются пектиновые вещества. Пектиновые вещества – высокомолекулярные полисахариды, содержащиеся практически во всех зеленых растениях в разных количествах и в различных формах (растворимый и нерастворимый пектин). В числе свойств пектиновых веществ необходимо отметить студнеобразующие и комплексообразующие свойства, способность выводить из организма человека ионы тяжелых металлов, радиоактивных элементов, остатки лекарственных средств и т.д. К сожалению, в России нет предприятий, производящих такой полезный и необходимый для человека продукт, как пектин.
Весомый вклад в научное обоснование и развитие технологии производства пектина и пектинопродуктов внесли как зарубежные, так и российские ученые. Известны работы ряда ученых, занимавшихся проблемой технологии производства пектина и пектинопродуктов. Это такие ученые, как Ашубаева З. Д., Шелухина Е. А., Карпович Н.С., Донченко Л. В. и ее научная школа, Ильина И. А., Родионова Л.Я., Соболь И.В, Инюкина Т.А., Влащик Л.Г. и др.
Сырьем для производства пектиновых веществ являются: свекловичный жом, выжимки цитрусовых плодов, яблочные отжимы и др. Пектин, полученный из свекловичного жома, имеет низкую степень этерификации, что определяет его высокую комплексообразующую способность. Особенно высокой комплексообразующей способностью обладает пищевой пектиновый экстракт, полученный из свекловичного жома. Однако его производство имеет свои особенности из-за химического состава свекловичного жома и жестких требований к пищевым гидратопектинам.
Безалкогольные напитки, широко употребляемые всеми группами населения – это оптимальный продукт для обогащения биологически активными веществами. Такие напитки, наряду с прямым назначением (способности утолять жажду и приносить удовольствие), могут приносить дополнительную пользу для здоровья человека – оказывать тонизирующее, антистрессовое, антиоксидантное действия, нести определенные лечебные и профилактические свойства.
Сложившаяся в перерабатывающей отрасли АПК ситуация свидетельствует о необходимости организации в условиях России гибкого производства не только пектина, но и пектинопродуктов, пектиновых экстрактов и концентратов, зерновых напитков, напитков с повышенной биологической ценностью, которые имеют невысокую себестоимость и высокий социальный эффект.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой НИР кафедры технологии хранения и переработки растениеводческой продукции КубГАУ (№ госрегистрации 13/021 КубГАУ) и является составной частью НИР КубГАУ.
Цель и задачи исследования. Целью исследований явилось совершенствование технологии производства пищевого гидратопектина из свекловичного жома и применение его для производства функциональных безалкогольных напитков с повышенным содержанием белка и пектина.
В связи с этим были определены следующие задачи исследования:
- теоретически обосновать направление совершенствования технологии производства пищевого пектинового экстракта из свекловичного жома с использованием биотехнологических методов для повышения качества готового продукта на основе изучения, систематизации и анализа научно-технической и патентной литературы;
- усовершенствовать технологию получения пищевого гидратопектина из свекловичного жома с применением биотехнологических методов с разработкой технической документации на его производство;
- исследовать и обосновать выбор сырья для производства функциональных безалкогольных напитков с повышенным содержанием белка, пектина и разработать рецептурные композиции новых напитков;
- установить оптимальное соотношение компонентов в бинарной композиции «белок-пектин» и ее содержание в разрабатываемых напитках для достижения высокой сорбционной способности;
- разработать техническую документацию на производство новых функциональных напитков, провести промышленную апробацию и оценку экономической эффективности предлагаемой технологии.
Научная новизна работы. Впервые установлены зависимости влияния обработки свекловичного пектинсодержащего сырья ферментными препаратами на качество гидратопектина. Установлены оптимальные технологические параметры и усовершенствована технология получения гидратопектина с улучшенными качественными характеристиками посредством предварительной обработки свекловичного жома ферментным препаратом «Целловиридин» и проведения процесса гидролиза-экстрагирования молочной сывороткой (патент РФ №2471367 от 10.01.2013).
Научно обосновано и экспериментально подтверждено применение бинарной композиции «белок-пектин» в соотношении 2:1 и 1:1, где в качестве носителя белка предложено использовать экстракт из зерна овса, а в качестве носителя пектина - гидратопектин из свекловичного жома, что обеспечивает высокую сорбционную способность готового продукта.
Новизна предлагаемых технологических решений подтверждена 2 патентами на изобретение РФ.
Практическая значимость. Предложена новая технология получения пищевых гидратопектинов из свекловичного жома с применением биотехнологических препаратов. Разработаны рецептуры напитков, отвечающих требованиям, предъявляемым к функциональным продуктам питания.
Разработана и утверждена техническая документация на производство гидратопектина, получаемого из свекловичного жома. Предложены к производству новые виды консервной продукции, полученные с применением пектиновых и овсяных экстрактов: «Экстракт пектиновый из свекловичного жома» (ТУ 9169-133-0493202-11), «Напитки овсяные» (ТУ 9169-133-0493202-12), «Напитки белково-пектиновые» (ТУ 918516-179-0493202-13); «Экстракт пектиновый на молочной сыворотке» (ТУ 9169-001-0493202-13).
Реализация результатов исследования. Проверка основных теоретических положений, результатов исследования и практических рекомендаций проведена в лабораториях кафедры технологии хранения и переработки растениеводческой продукции Кубанского государственного аграрного университета. Промышленная апробация технологии получения гидратопектинов из свекловичного жома и функциональных напитков осуществлена в УНИК «Технолог» НИИ биотехнологии и сертификации пищевой продукции Кубанского ГАУ.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях факультета перерабатывающих технологий КубГАУ (2007–2013 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения молодых ученых - будущее в развитии АПК» (ВГАУ, Воронеж, 2007 г.); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (КубГАУ, Краснодар, 2007-2013); Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и аспирантов аграрных вузов АПК «Инновационные процессы в АПК» (РУДН, Москва, 2009); научно-практической конференции молодых ученых и студентов юга России «Медицинская наука и здравоохранение» (г.Анапа, 2009-2010 г.); Международной научно-практической конференции «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века» (КубГТУ, Краснодар, 2009г.); Международной научно-практической конференции «Функциональные продукты питания: ресурсосберегающие технологии переработки с/х сырья, гигиенические аспекты и безопасность» (КубГАУ, Краснодар, 2009 г.); конференции молодых ученых и специалистов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ» (ГНУ ГОСНИИХП, Москва, 2010 г.); конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности – 2011» (Минск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции МГТУ«Наука, образование и инновации для АПК» (Майкоп, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновации и современные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции» (СГАУ, Ставрополь, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (ПГГТУ, Пятигорск, 2012 г.).
Разработанные технологии были удостоены гранта PEPSICO в 2013 г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 28 печатных работах, в том числе 1 монография, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Получено 2 патента РФ на изобретение (№2483591, № 2471367).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора литературы, методической части, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения.
Работы изложена на 133 страницах печатного текста, содержит 48 таблиц, 15 рисунков. Список литературных источников включает 121 наименований, в т.ч. 20 – иностранных источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность работы, определены задачи исследования, обозначена научная новизна и практическая значимость работы.
1. Обзор литературы. В разделе приведены сведения на данный период по состоянию отрасли производства пектинопродуктов и отрасли безалкогольных напитков, пути дальнейшего развития этих отраслей, использования новых путей для получения функциональных напитков.
2. Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись: свекловичный жом, пектиновый экстракт из свекловичного жома и яблочных выжимок, зерно овса (сорт «Горизонт»), овсяной экстракт, молочная сыворотка, биотехнологические препараты «Бацелл», «Целловиридин».
В ходе выполнения диссертационной работы использовали стандартные методы исследований, принятые в пищевой промышленности: массовой доли пектиновых веществ определяли кальций-пектатным методом (согл. П.2.2.3 диссертации); комплексообразующую способность - методом обратного титрования (ГОСТ 10846-91); аминокислотный состав - на аминокислотном хроматографе (марка LC 5000 HPLC); массовую долю сухих веществ – рефрактометрическим методом (ГОСТ 28562-90); содержание витаминов гр.В и витамина С – титриметрическим и фотометрическим методами (ГОСТ 24556-89); активную кислотность – потенциометрическим методом (ГОСТ 26971-86); белок и клетчатку - методом капиллярного электрофореза (на приборе «Капель-106Р»); органолептическая оценка – по ГОСТ 8756.1-79. Расчеты, построение графиков, их описание осуществляли с помощью пакетов прикладных программ Microsoft Office Excel 2007 и Statistica 8.0 for Windows. Структурная схема проведения исследований представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема проведения исследований
3. Экспериментальная часть
3.1 Получение пищевого свекловичного пектинового экстракта с предварительной биохимической обработкой
Для проведения эксперимента использовали сухой гранулированный свекловичный жом, полученный на Динском сахарном заводе, где определяли фракционный состав пектиновых веществ (ПВ). Было установлено, что суммарное содержание ПВ в свекловичном жоме составляет 15,66 %, содержание гидратопектина - 0,8 %, а протопектина - 14,9 %, влажность жома 10,3%, содержание сахара 0,2%.
Согласно требованиям, предъявляемым к пектиносодержащему сырью, промышленным значением обладает сырье с содержанием фракции протопектина не менее 60 % от суммы ПВ, следовательно, исследованный свекловичный жом является хорошим сырьем для производства пектина.
Выделение чистого пектина из любого растительного сырья возможно в случае нарушения химических связей протопектина с целлюлозой и гемицеллюлозой. При гидролизе пектинсодержащего сырья соляной кислотой это нарушение происходит под действием температуры и рН среды. Однако, пектиновый экстракт, получаемый при этом, не может быть использован в пищевой промышленности, так как он имеет тёмный серо-коричневый цвет и явно выраженный спецефический свекловичный запах, обусловленный, как предполагается, сапонинами и другими полифенольными веществами, в том числе, азотистыми основаниями. Предварительная обработка сырья заключалась в промывке свекловичного жома водопроводной водой комнатной температуры.
Для получения качественных пищевых пектиновых экстрактов (ПЭ) необходима дополнительная подготовка сырья к процессу гидролиза-экстрагирования. Она должна включать: очистку сырья от балластных по отношению к пектину веществ и подготовку клеточной стенки к гидролизу.
Для этого использовали обработку сырья биотехнологическими методами с применением целловиридина и бацелла (препарата, разработанного на кафедре биотехнологии, биохимии и биофизики КубГАУ). Предварительную обработку сырья свекловичного жома проводили целловиридином в концентрации 0,1%; 0,2%; 0,3% от массы сырья в течение 30, 60, 90 мин. при температуре 40 оС; бацеллом 1% и 2% в течение 12 и 24 часов. Контролем служило сырье без предварительной обработки ферментами.
Полученные образцы проверяли по следующим критериям: органолептическая оценка и концентрация пектиновых веществ.
Первыми этапом были исследования, связанные с предварительной обработкой сырья Бацеллом. Предварительная обработка проводилась 1% и 2% раствором препарата в течение 12 и 24 часов. Длительность обработки связана с замедленным действием данного препарата.
В таблице 1 представлены результаты исследований по предварительной обработке свекловичного жома препаратом Бацелл. Соляная кислота в качестве гидролизующего агента являлась контролем.
Характеристика полученного пектинового экстракта и выделенного пектина была некачественной: пектин слабый, сгусток неплотный, при отжиме через бельтинг наблюдались потери, цвет темно-желтый. Пектиновый экстракт не соответствует требованиям по органолептическим показателям.
Таблица 1 – Характеристика ПЭ и свекловичного пектина, полученного с предварительной обработкой сырья бацеллом (гидролизующий агент HCl)
| № п/п | Предварительная обработка препаратом «Бацелл» | Концентрация ПВ в экстракте, % | Выход пектиновых веществ, % | Характеристика пектинового экстракта | |
| 1 | 1% р-р, 12 часов | 0,36 | 3,40 | Однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с выраженным запахом свеклы, кислого вкуса | |
| 2 | 1% р-р, 24 часа | 0,52 | 3,51 | ||
| 3 | 2% р-р, 12 часов | 0,38 | 3,52 | ||
| 4 | 2% р-р, 24 часа | 0,53 | 3,94 | ||
Следовательно, использование препарата «Бацелл» для предварительной обработки не позволяет получить качественный пищевой продукт.
Хорошие результаты по качественным характеристикам ПЭ были получены при использовании для предварительной обработки сырья ферментного препарата «Целловиридин», исследованного при разных концентрациях раствора (0,1; 0,2; 0,3%).
Установлено, что оптимальной концентрацией раствора целловиридина при обработке свекловичного жома является 0,1%, дальнейшее увеличение концентрации целловиридина не способствует увеличению концентрации пектиновых веществ в экстракте. По органолептической оценке экстракт - однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с неявно выраженным запахом свеклы и с кислым вкусом разного уровня. После обработки свекловичный жом отжимают и отправляют на гидролиз-экстрагирование.
Рисунок 2 – Влияние концентрации раствора целловиридина и времени
выдержки на содержание ПВ в свекловичном пектиновом экстракте
Дальнейшие исследования были направлены на выбор гидролизующего агента и оптимизацию времени обработки 0,1% целловиридином при температуре 40оС.
В качестве гидролизующих агентов использовали молочную кислоту (рН -2,3), лимонную кислоту (рН - 2,35) и молочную сыворотку (рН - 4,58). Контролем служила соляная кислота (рН - 1,5). Свекловичный жом подвергали гидролизу-экстрагированию при 90оС в течение 2-х часов при периодическом перемешивании. После окончания процесса проводили разделение гидролизной массы. Результаты выполненных исследований представлены на рисунке 3. 
Рисунок 3 – Концентрация ПВ в экстракте после предварительной
обработки свекловичного жома 0,1% раствором целловиридина с
последующим гидролизом различными гидролизующими агентами
Полученные данные показали, что лучшим был ПЭ, полученный из свекловичного жома с использованием молочной сыворотки в качестве экстрагента; при этом получена однородная, непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета, без запаха свеклы, приятного слабо кислого вкуса. Концентрация пектиновых веществ в полученных экстрактах была максимальной (0,94%) при времени обработки 0,1% целловиридином 90 мин. и температуре 40оС.
Изучение различных гидролизующих агентов (соляная, молочная, лимонная кислоты, молочная сыворотка) с различным рН раствора (от 1,47 до 4,8) и уточнение режимов гидролиза-экстрагирования при соотношении твердой и жидкой фазы 1:15 показало, что максимальная концентрация пектиновых веществ получена с использованием молочной сыворотки (рН – 4,58) при времени гидролиз экстрагирования 120 мин. (рисунок 4).
Рисунок 4 – Влияние времени гидролиза-экстрагирования на концентрацию ПВ в пектиновом экстракте, обусловленное действием различных
гидролизующих агентов
На основании исследованных качественных характеристик пектиновых экстрактов, полученных с применением различных гидролизующих агентов, установлено, что самая высокая концентрация ПВ отмечена в пектиновом экстракте, полученном с использованием в качестве экстрагента молочной сыворотки (рисунок 5).
Рисунок 5 – Характеристика ПЭ, полученного с предварительной
обработкой сырья целловиридином и гидролизом-экстрагированием
различными гидролизующими агентами
Таким образом, на основании комплексных исследований усовершенствованы технологические параметры получения пектинового экстракта из свекловичного жома, заключающиеся в предварительной обработке сырья 0,1% раствором целловиридина в течение 90 мин. при температуре 40 оС с последующим гидролизом-экстрагированием сырья молочной сывороткой (рН 4,58) в соотношение жома и экстрагента – 1:15, при температуре 90оС в течение 2 часов.
Дальнейшие исследования были направлены на разработку белково-пектиновых напитков с оптимальной сорбционной способностью.
3.2 Разработка серии белково-пектиновых напитков
функционального назначения с оптимальной сорбционной
способностью в бинарной композиции «белок-пектин»
При разработке функциональных напитков с использованием пищевого гидратопектина из свекловичного жома, обладающего высокой комплексообразующей способностью, были проведены исследования по технологии получения в качестве белкового носителя водного экстракта из зерен овса.
3.2.1 Определение показателей качества зерен овса
сорта «Горизонт»
В зерна овса сорта «Горизонт» определяли показатели, характеризующие его пищевую ценность зерна овса (таблицы 2 и 3).
Основную массу зерна – примерно две трети, составляют углеводы. Это основной питательный и опорный материал растительных клеток и тканей. Углеводы зерен представлены моносахаридами (пентозы, гексозы) и полисахаридами (сахарозой, мальтозой, раффинозой, крахмалом, гликогеном, клетчаткой), макро- и микроэлементами, различными витаминами. Общее содержание углеводов колеблется в пределах 60 %. Белки овса представлены глютелинами, проламинами и глобулинами.
Таблица 2 - Химический состав зерен овса, %
| Овес | Показатели | ||||
| Белки | Липиды | Углеводы | Влага | Пищевые волокна | |
| 12,0 | 4,7 | 57,9 | 14,0 | 14,0 | |
Таблица 3 - Витамины, содержащиеся в зерне овса
| Витамин PP, мг/г | -каротин, мг/г | Витамин A(РЭ), мкг/г | Витамин B1 (тиамин), мг/г | Витамин B2(рибофлавин), мг/г | Витамин B6 (пиридоксин), мг/г | Витамин B9 (фолиевая), мкг/г | Витамин E, мг/г | Витамин H (биотин), мкг/г |
| 1,5 | 0,02 | 3 | 0,47 | 0,12 | 0,3 | 27 | 1,4 | 15 |
Таблица 4 - Содержание микро- и макроэлементов в зерне овса, на 1 кг сухого
вещества
| Кальций, мг | Магний, мг | Натрий, мг | Калий, мг | Железо, мг | Цинк, мг | Йод, мкг | Медь, мкг | Селен, мкг |
| 117 | 135 | 37 | 421 | 5,5 | 3,6 | 7,5 | 600 | 23,8 |
Кроме представленных показателей было определено содержание пектиновых веществ, сумма которых составила 0,5 %.
3.2.2 Приготовление водного экстракта из свежепроросших зерен овса и
определение его качественных показателей
Для получения экстракта из зерен овса были проведены исследования с использованием в качестве экстрагента воды и водно-спиртовой смеси (соотношение вода:спирт - 50:50 и 70:30), в течение разного времени. Установлено, что лучшим по показателю экстрактивности явился экстракт овса, полученный при экстракции водой в течении 4 часов (рисунок 6).
Рисунок 6 – Влияние времени экстрагирования на экстрактивность овса,
обусловленное видом экстрагента
Для выбора наиболее эффективного извлечения белка проверяли различные составные части зерновки овса:
1 – цельные измельченные зерна овса с оболочкой;
2 - измельченная оболочка зерен овса, предварительно отделенная от эндосперма;
3 - измельченные ядра зерен овса без оболочки;
4 - измельченные набухшие неочищенные зерна овса;
5 – свежепроросшие зерна овса.
Полученные водные овсяные экстракты анализировали по физико-химическим и органолептическим показателям, представленным в таблице 5.
Критериями получаемого овсяного экстракта являлись повышенное содержание белка, высокая сорбционная способность и хорошие органолептические показатели. Определено: лучшим был водный экстракт из цельных свежепроросших зерен овса. Раствор был прозрачным, с легкой опалесценцией, желтого цвета, с приятным вкусом и ароматом вареной кукурузы, с повышенным содержанием белка и высокой сорбционной способностью.
Таблица 5 - Физико-химические показатели экстрактов овса
| Вариант опыта | рН | Содержание сухих веществ по рефрактометру, % | Экстрактивность, % | Содержание белка, % | Сорбционная способность, мг Pb2+/мл |
| Цельные зерна | 6,16 | 1,2 | 1,04 | 0,87 | 6,31 |
| Оболочки зерен | 5,92 | 0,7 | 0,47 | 0,39 | 2,12 |
| Ядра зерен | 6,73 | 0,9 | 1,67 | 0,89 | 6,92 |
| Набухшие зерна | 6,95 | 1,2 | 1,61 | 0,94 | 7,25 |
| Свежепроросшие зерна | 7,2 | 0,9 | 3,35 | 0,91 | 9,34 |
Для оптимизации сроков проращивания проведены исследования по определению качества проросших зерен овса и полученных из него водных экстрактов (таблица 6,7).
Таблица 6 - Изменение показателей качества овса при проращивании в
течение разного времени
| Вариант опыта | Влажность, % | Содержание сахаров, % | Содержание в пересчете на сухое вещество, % | Экстрактивность, % | |
| протеина | клетчатки | ||||
| Сухой овес | 8,1 | 0,96 | 12,8 | 14,8 | 0,82 |
| Пророщенный овес 24 ч. | 26,2 | 0,87 | 13,2 | 16,1 | 1,32 |
| Пророщенный овес 48 ч. | 28,4 | 0,82 | 13,5 | 16,8 | 2,42 |
| Пророщенный овес 72 ч. | 28,5 | 0,67 | 14,2 | 16,8 | 3,25 |
| Пророщенный овес 96 ч. | 30,1 | 0,51 | 13,3 | 17,0 | 2,54 |
Таблица 7- Изменение качества водных экстрактов свежепроросших зерен
овса в зависимости от времени проращивания
| Сроки проращивания | Массовая доля белка, % | Массовая доля сухих веществ, % | Экстрактивность, % | Сорбционная способность, мг Pb2+/мл |
| Контроль - сухой овес | 0,40 | 0,96 | 0,42 | 5,98 |
| Пророщенный овес 24 ч. | 0,39 | 0,7 | 0,47 | 2,12 |
| Пророщенный овес 48 ч. | 0,89 | 0,9 | 1,67 | 6,92 |
| Пророщенный овес 72 ч. | 0,94 | 1,2 | 1,69 | 9,34 |
| Пророщенный овес 96 ч. | 0,91 | 1,0 | 2,35 | 7,25 |
Лучшим по установленным критериям был экстракт из свежепроросших в течение 72 часов зерен овса. Полученный экстракт проверяли по составу аминокислот. Установлено, что около 40% аминокислот, содержащихся в зерне овса, перешло в экстракт.
Таким образом, на основании проведенных комплексных исследований разработана технология получения водного экстракта из свежепроросших зерен овса с повышенным содержанием белковых веществ и повышенной сорбционной способностью. Свежепроросшие зерна овса получали проращиванием зерен овса в течение 72 часов по технологии, принятой в солодовенной промышленности (температура 30 оС при соотношении зерна и воды 1:25, кондиционирование воздухом каждый час в течение всего периода проращивания). Свежепроросшие зерна овса экстрагируют водой в соотношении 1:20 в течение 4 часов при температуре 45 оС. Полученный водный экстракт фильтруют, пропускают через пастеризатор и отправляют на хранение.
3.2.3 Разработка и моделирование рецептурных композиций белково-пектиновых напитков с оптимальной сорбционной способностью
Разработка рецептур белково-пектиновых напитков с оптимальным сочетанием функциональной направленности белка и пектина проводилась путем математического моделирования. В качестве белкового компонента использовали овсяной экстракт из свежепроросших зерен овса, а в качестве пектинового компонента - пектиновый экстракт на молочной сыворотке. На основе полученных данных разработаны рецептуры овсяных напитков, приведенные в таблице 8.
Таблица 8- Рецептурные композиции овсяных напитков
| Наименование сырья | Единица измерения | Напиток овсяной «Лимонный» | Напиток овсяной «Смородиновый» |
| Овсяной экстракт (БВ= 0,9) | кг | 699 | 480 |
| Пектиновый экстракт из свекловичного жома (ПВ=0,8) | кг | 230 | 370 |
| Мед натуральный | кг | 37,5 | - |
| Ароматизатор «Лимон» | кг | 1,0 | - |
| Лимонный сок | кг | 32,5 | - |
| Настой донника | кг | - | 40 |
| Сахарный сироп | кг | - | 80 |
| Смородина красная измельченная | кг | - | 30 |
| Итого: | 1000 | 1000 |
При моделировании рецептурной композиции белково-пектиновых напитков в первом случае напиток обогащен натуральным медом и лимонным соком, а во втором случае – настоем донника лекарственного и красной смородины, что в комплексе позволило усилить вкусовые качества продуктов. Функциональность напитков обусловлена количеством пектиновых веществ, содержащихся в напитках.
Полученные напитки проверяли по физико-химическим и органолептическим показателям, результаты чего представлены в таблице 9.
Таблица 9 – Физико-химические показатели овсяных напитков
| Наименование напитка | рН | Кислотность, % | Массовая доля пектиновых веществ, % | Массовая доля белка, % | Массовая доля сухих веществ по рефрактометру, % | Сорбционная способность, мг Pb2+/мл |
| «Лимонный» | 3,3 | 2,8 | 0,27 | 0,41 | 6,0 | 68,9 |
| «Смородиновый» | 2,7 | 2,9 | 0,19 | 0,38 | 5,2 | 66,3 |
Полученные овсяные напитки имели высокую сорбционную способность в бинарной композиции «белок-пектин» 2:1 (рисунок 7, а,б).
а)
б)
Рисунок 7– Зависимость сорбционной способности овсяных напитков от:
а) концентрации пектиновых веществ; б) концентрации белка
Разработанные напитки можно отнести к серии функциональных согласно ГОСТ Р 52349-2005.
Для расширения ассортимента напитков данного направления были разработаны рецептуры с использованием в качестве белкового носителя соевого изолята белка, а в качестве пектинового носителя – ПЭ на молочной сыворотке и на лимонной кислоте (таблица 10).
В качестве обогащающих вкусовых и витаминных ингредиентов добавляли фруктовые и ягодные соки.
Таблица 10 – Рецептура белково-пектиновых напитков функционального
назначения
| Наименование сырья | Единица измерения | Варианты рецептур | |||||
| ПЭ на молочной сыворотке | ПЭ на лимонной кислоте | ||||||
| Клюквенный оригинальный | Апельсиновый оригинальный | Яблочный оригинальный | Клюквенный | Апельсиновый | Яблочный | ||
| Пектиновый экстракт (ПВ=0,5%) | кг | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 | 380 |
| Сироп сахарный | кг | 180 | 130 | 180 | 240 | 140 | 80 |
| Белок (1,3% раствор) | кг | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 |
| Клюквенный сок | кг | 270 | - | - | 230 | - | - |
| Апельсиновый сок | кг | - | 320 | - | - | 330 | - |
| Яблочный сок | кг | - | - | 370 | - | - | 390 |
Полученные напитки имели отличные органолептические и физико-химические показатели (таблица 11).
Таблица 11 – Показатели качества белково-пектиновых напитков на соевом
белковом изоляте
| № рецептуры | Максимальная доля белка, % | рН | Максимальная доля ПВ,% | СВ,% | Сорбционная способность, мг Pb2+/мл |
| ПЭ на молочной сыворотке | |||||
| 1. Клюквенный оригинальный | 0,19 | 3,40 | 0,21 | 15,6 | 52,4 |
| 2. Апельсиновый оригинальный | 0,20 | 4,10 | 0,20 | 13,1 | 64,7 |
| 3. Яблочный оригинальный | 0,22 | 4,34 | 0,23 | 12 | 55,6 |
| ПЭ на лимонной кислоте | |||||
| 4. Клюквенный | 0,20 | 3,05 | 0,19 | 16,0 | 30,4 |
| 5. Апельсиновый | 0,22 | 3,71 | 0,20 | 13,5 | 39,0 |
| 6. Яблочный | 0,19 | 3,97 | 0,22 | 12,8 | 36,8 |
Калорийность полученных напитков колебалась от 22 до 30 ккал.
Для уточнения бинарной композиции «белок-пектин» была осуществлена математическая обработка с применением аналитической зависимости между содержанием белка, пектина и сорбционной способностью полученных напитков. Коэффициент детерминации (R2=0,94 и R2=0,96).
Полученные напитки имели высокую сорбционную способность в бинарной композиции «белок-пектин» 1:1 (рисунок 8).
а)
б)
Рисунок 8 – Зависимость сорбционной способности белково-пектиновых напитков от: а) концентрации пектиновых веществ; б) концентрации белка.
Аппаратурно-технологическая схема производства функциональных напитков приведена на рисунке 9. От классической данная схема отличается двумя дополнительными, разработанными в данной работе блоками:1) блок подготовки, проращивания зерен овса и получения водного экстракта овса; 2) блок обработки свекловичного жома, его гидролиза и получения экстракта.
1 – мешки с зерном, 2 – весы, 3- зерноочистительная машина БЗО-М, 4- солодовня статическая, 5- ленточный транспортер, 6 – экстрактор, 7-фильтр, 8 – насос, транспортер-нория, 10-гидролизатор (вакуум-выпаритель), 11-сепаратор, 12-фильтр-пресс, 13 – стекатель, 14 - шнековый пресс, 15 – цистерна, 16 – емкость для сбора экстракта, 17 – варочный бак с мешалкой, 18-21 – сборник-мерник, 22 – купажная емкость, 23 - сборник-мерник, 24 - купажная емкость с мешалкой, 25 - пластинчатый пастеризатор, 26 – 31 - оборудование для водоподготовки, 32 – транпортер, 33 – выдувной аппарат, 34,36 – световой экран, 35 –триблок розливочный, 37 – этикетировочный автомат, 38 – автомат для упаковки, 39 – поддоны с готовой продукцией, 40 – погрузчик.
Рисунок 9 – Аппаратурно-технологическая схема производства овсяного напитка
Выполненные в работе экономические расчеты говорят о рентабельности предлагаемых напитков. Рентабельность по большинству продукции составляет около 16%, а по напиткам с добавлением клюквенного сока – около 10%. Производство напитков способно дать более 21 млн. рублей чистой прибыли в год. При этом для достижения безубыточности в месяц необходимо произвести 275 т напитков.
ВЫВОДЫ
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения предварительной обработки свекловичного жома биотехнологическими методами для получения качественного пищевого пектинового экстракта из свекловичного жома, что подтверждено оценкой качественных показателей готового продукта.
2. Усовершенствована технология получения пищевого гидратопектина из свекловичного жома путем предварительной обработки сырья 0,1% раствором целловиридина при температуре 40°С в течение 90 мин. в соотношении свекловичный жом : целловиридин – 1:12, с последующим гидролизом-экстрагированием сырья молочной сывороткой (соотношение жом: экстрагент – 1:15) в течение 120 мин.; на способ получения пищевого пектинового экстракта получен патент 2471367.
3. Разработана и утверждена техническая документация на получение пищевого гидратопектина из свекловичного жома для использования в безалкогольной промышленности (ТУ 9169-133-0493202-11 «Экстракт пектиновый из свекловичного жома» и ТУ 9169-001-0493202-13 «Экстракт пектиновый на молочной сыворотке»).
4. Теоретически обосновано и выбрано сырье для зерновых безалкогольных напитков с повышенным содержанием белка и пектина, определены его качественные показатели и разработана технология получения водного экстракта из свежепроросших зерен овса (при следующих режимах: t° проращивания = 30°С, соотношение зерна и воды 1:25 в течение 72 часов, кондиционирование воздухом каждый час в течение всего периода проращивания, затем экстракция водой соотношении 1:20 в течение 4 часов при t°=45°С).
5. Разработаны рецептуры и технология получения белково-пектиновых напитков функционального назначения с повышенной сорбционной способностью, подтвержденные математическими расчетами; установлены их качественные показатели и проведена их промышленная апробация в УНИК «Технолог» НИИ Биотехнологии и сертификации пищевой продукции Кубанского ГАУ.
6. Установлена эффективность соединения бинарной композиции «белок-пектин» в соотношении 2:1 в белково-пектиновых безалкогольных напитков функционального назначения на водном овсяном экстракте и 1:1 в белково-пектиновых напитках с использованием соевого белкового изолятас повышенной сорбционной способностью.
7. Разработаны аппаратурно-технологические схемы и утверждена нормативная документация на производство новых видов безалкогольных напитков функционального назначения: «Напитки овсяные» (ТУ 9169-133-0493202-12), «Напитки белково-пектиновые» (ТУ 918516-179-0493202-13).
8. Рентабельность по большинству напитков составляет около 16%, а по напиткам с добавлением клюквенного сока – около 10%. Производство и реализация новых видов функциональных безалкогольных напитков способно дать более 21 млн. рублей чистой прибыли в месяц.
Список публикаций по теме диссертации
1. Степовой, А.В. Функциональные напитки / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Достижения молодых ученых - будущее в развитии АПК: сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференции / ВГАУ. – Воронеж. – 2007. – С.268-270.
2. Соболь, И.В. Некоторые аспекты применения пищевого подсолнечного пектина в функциональных напитках / И.В. Соболь, А.В. Степовой // Вiсник ХНТУ сiльского господарства iменi Петра Василенко «Сучаснi напрямки технологii та механiзацii процесiв переробних i харчових виробництв». – Харкiв. – 2007. – С. 178-181.
3. Степовой, А.В. Разработка новых видов функциональных напитков и внедрение их в производство / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Научное обеспечение Агропромышленного комплекса: материалы I всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. – Краснодар, 2007. – С. 218-219.
4. Степовой, А.В. Проектирование функциональных напитков целевого назначения / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Научное обеспечение Агропромышленного комплекса: материалы II всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. – Краснодар, 2008. – С. 258-259.
5. Степовой, А.В. Перспективы получения пектина из различного сырья с использованием биотехнологических методов / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Инновационные процессы в АПК: сборник статей I Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и аспирантов аграрных вузов АПК / РУДН. – Москва, 2009. – С. 256-258.
6. Соболь, И.В. Новые функциональные напитки диабетического назначения / И.В. Соболь, А.В. Степовой, А.А. Соболь, А.Г. Петренко // Медицинская наука и здравоохранение: материалы VII научно-практической конференции молодых ученых и студентов юга России / Анапа, 2009. – С.110-112.
7. Степовой, А.В. Использование биотехнологических методов при получении пектина из растительного сырья / А.В Степовой // Медицинская наука и здравоохранение: материалы VII научно-практической конференции молодых ученых и студентов юга России / Анапа, 2009. – С. 112-114.
8. Родионова, Л.Я. Использование натуральных растительных улучшителей в производстве хлебобулочных изделий функционального назначения нового поколения / Л.Я. Родионова, И.В. Соболь, Г.Ю. Арутюнова, А.В. Степовой, А.А. Шморгун // Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века: материалы международной научно-практической конференции. КубГТУ. – Краснодар, 2009. – С. 261-263.
9. Соболь, И.В. Применение подсолнечного пектинового экстракта в хлебобулочных изделиях / И.В. Соболь, А.В. Степовой, А.А. Шморгун // Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века: материалы международной научно-практической конференции / КубГТУ.- Краснодар, 2009. – С. 128-130.
10. Степовой, А.В. Возможность комплексного использования корзинок-соцветий подсолнечника / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, И.В. Соболь, О.А. Кострюкова // Функциональные продукты питания: ресурсосберегающие технологии переработки с/х сырья, гигиенические аспекты и безопасность: материалы международной научно-практической конференции / КубГАУ. – Краснодар, 2009. – С. 157-160.
11. Родионова, Л.Я. Получение пищевого свекловичного пектиносодержащего экстракта с применением методов биоконверсии / Л.Я. Родионова, И.В. Соболь, А.В. Степовой, А.А. Шморгун // Функциональные продукты питания: ресурсосберегающие технологии переработки с/х сырья, гигиенические аспекты и безопасность: материалы международной научно-практической конференции / КубГАУ. – Краснодар, 2009. – С. 464-468.
12. Арутюнова, Г.Ю. Пищевые гидратопектины как функциональный ингредиент продуктов нового поколения / Г.Ю. Арутюнова, А.В. Степовой, И.В. Соболь, А.А. Шморгун // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. – Краснодар, 2009. – С. 249-25.
13. Степовой, А.В. Развитие безалкогольной промышленности в России в направлении производства функциональных напитков / А.В. Степовой: Редакция журнала «Известия вузов. Пищевая технология». – Краснодар, 2009. – 47 с.: – Деп. в ВИНИТИ 28.12.09, №835-В2009.
14. Соболь, И.В. Научные основы конструирования функциональных пектинсодержащих сухих продуктов целевого назначения / И.В. Соболь, А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Новые технологии. – МГТУ. – Майкоп, 2010. – С. 73-77.
15. Соболь, И.В. Исследование процесса сушки пищевых смесей, обогащенных пектином / И.В. Соболь, А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Новые технологии. – МГТУ. – Майкоп, 2010. – С. 70-72.
16. Степовой, А.В. Применение биотехнологии для получения гидратопектина / А.В. Степовой // Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности РФ: материалы 4-ой конференции молодых ученых и специалистов отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии. – ГНУ ГОСНИИХП. – М., 2010. – С. 191-192.
17. Степовой, А.В. Зерновые напитки - здоровое будущее нации / А.В. Степовой, Я.В. Симоненко, О.Н. Кострюкова // Научное обеспечение Агропромышленного комплекса: материалы IV всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. – Краснодар, 2010. – С. 306-308.
18. Степовой, А.В. Стевия как сырье для приготовления напитков специального назначения / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, Я.В. Симоненко, А.В. Белоног // Инновационные технологии в пищевой промышленности: материалы конференции / Минск, 2011. – С. 290-293. 19. Степовой, А.В. Безалкогольные напитки оздоровительного действия / А.В. Степовой, Я.В. Симоненко // Университет: Наука, идеи и решения / КубГАУ. – Краснодар, 2011. – С. 152-154.
20. Симоненко, Я.В. Тонизирующие напитки на основе растительного сырья / Я.В. Симоненко, А.В. Степовой // Наука, образование и инновации для АПК: материалы III Международной научно-практической конференции / МГТУ. – Майкоп, 2011. – С. 221-226.
21. Степовой, А.В. Применение стевии в питании больных сахарным диабетом / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, Я.В. Симоненко, М.В. Достовалова // Инновации и современные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции: материалы VII Международной научно-практической конференции / Ставр. ГАУ. – Ставрополь, 2012. – С. 136-140.
22. Степовой, А.В. Разработка рецептуры напитка общеукрепляющего действия / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, Я.В. Симоненко // Инновационные направления в пищевых технологиях: материалы V Международной научно-практической конференции / ПГГТУ. – Пятигорск, 2012. – С.268 – 271.
23. Степовой, А.В. Зерновые напитки - здоровое будущее нации / А.В. Степовой, Я.В. Симоненко, А.В. Белоног // Научное обеспечение Агропромышленного комплекса: материалы V всероссийской научно-практической конференции молодых ученых / КубГАУ. – Краснодар, 2011. – С. 317-318.
24. Степовой, А.В. Получение пищевого гидратопектина из свекловичного жома с использованием биотехнологических препаратов / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, М.В. Достовалова // Тенденции и перспективы развития современного научного знания: материалы V Международной научно-практической конференции / Научн.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». – Москва, 2012. – С.227-236.
25. Степовой, А.В. Компьютерное моделирование рецептуры функциональных напитков с повышенной биологической ценностью / А.В. Степовой, Л.Я. Родионова, И.В. Ариничев // Направление и итоги сотрудничества науки и АПК: материалы международной научно-практической конференции. – Симферополь, 2013. – С.63-65.
26. Пат. 2471367. Российская Федерация. МПК А23L 1/0524, С08В 37/06. Способ получения пищевого пектинового экстракта / Л.Я. Родионова, А.В. Степовой, И.В. Соболь, А.Н. Белогорец: заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. – № 2011121259/13; заявл. 25.05.2011; опубл. 10.01.2013, бюл. №1. – 6 с.
27. Пат. 2483591. Российская Федерация. МПК А23L 1/31, А23L 1/315, А23L 3/00. Способ производства консервов из мяса птицы для лечебно-профилактического питания / Л.Я. Родионова, А.В. Степовой, А.И. Решетняк, А.В. Саакян, А.В. Белоног: заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. – № 2011141666/13; заявл. 13.10.2011; опубл. 10.06.2013, бюл. №16. – 6 с.
28. Степовой, А. В. Производство безалкогольных функциональных напитков нового поколения: монография / А.В. Степовой. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — 84 с.
