Разработка технологии сбалансированных композиций для функциональных напитков
На правах рукописи
БАЖЕНОВА ЕКАТЕРИНА НИКОЛАЕВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
СБАЛАНСИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАПИТКОВ
Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов
(перерабатывающие отрасли АПК)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2009
Работа выполнена на кафедре «Технология продуктов детского, функционального и спортивного питания» ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии».
Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственных премий СССР и РФ
Токаев Энвер Саидович
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор (МГУПП)
Кочеткова Алла Алексеевна
Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отделения восстановительной гастроэнтерологии ФГУ РНЦ ВМ и К Минздравсоцразвития России, врач-диетолог-гастроэнтеролог
Сергеев Валерий Николаевич
Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности
Защита диссертации состоится «09» декабря 2009 г. в 12 часов 45 минут на заседании Диссертационного совета Д 212.149.01 при Московском государственном университете прикладной биотехнологии по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, 33, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии».
Автореферат разослан «07» ноября 2009 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор А.Г. Забашта
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ускорение темпа современной жизни ставит многих людей в условия постоянного дефицита времени, при которых отсутствует возможность питаться качественно и регулярно, что приводит к дефициту поступления некоторых макро- и микронутриентов, и, как следствие, к истощению адаптационных возможностей организма и возникновению широкого спектра алиментарнозависимых заболеваний. Поэтому одним из приоритетных направлений современной пищевой индустрии является разработка технологий и расширение ассортимента функциональных пищевых продуктов, способствующих снижению риска развития заболеваний и поддержанию здоровья человека. Исследования Тутельяна В.А., Рогова И.А., Кочетковой А.А., Токаева Э.С., Титова Е.И., Дунченко Н.И., Ганиной В.И., Бобреневой И.В., Нефедовой Н.В., Тихомировой Н.А., Лисицына А.В. и др. внесли большой вклад в развитие концепции функционального питания в России.
Одним из эффективных путей компенсации алиментарной недостаточности в питании является регулярное включение в рацион функциональных напитков различной профилактической направленности.
Учитывая нутриентную дефицитность рационов, а также общий рост заболеваемости, в том числе патологий ЖКТ, сопровождающихся дисбиотическими нарушениями, является своевременной разработка напитков с пребиотическими свойствами, способствующих естественному поддержанию иммунитета за счет стимулирования роста и развития бифидо- и лактобактерий, приготовленных на основе сухих сбалансированных композиций.
Такие напитки представляют собой наиболее удобную и доступную форму получения необходимых нутриентов в количествах, адекватно отражающих физиологические потребности здорового человека, могут употребляться в качестве готового полноценного завтрака, а также в промежутках между основными приемами пищи; могут быть рекомендованы для людей, ведущих активный образ жизни, занимающихся фитнесом и спортом, следящих за своим весом.
Особенностью функциональных напитков, полученных на основе сбалансированных композиций, является их многокомпонентность. Теоретические основы взаимодействия и совместимости биополимеров в жидких полидисперсных многокомпонентных системах отражены в фундаментальных и прикладных исследованиях Толстогузова В.Б., Браудо Е.Е., Гуровой Н.В., Гринберга В.Я., Рогова И.А., Токаева Э.С., Жаринова А.И. и др.
На основании вышеизложенного представлялось целесообразным с учетом принципов современной нутрициологии, механизмов гоместазирования организма и совместимости компонентов разработать технологию сухих сбалансированных композиций с выраженными пребиотическими свойствами для функциональных напитков для завтрака и фитнес-напитков, предназначенных для коррекции нутритивного статуса человека и нормализации микрофлоры ЖКТ.
В связи с этим исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, являются обоснованными и актуальными.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии сбалансированных композиций для функциональных напитков, предназначенных для коррекции алиментарной недостаточности рационов питания. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
- Сформулировать медико-биологические рекомендации, физико-химические и органолептические требования к напиткам и обосновать выбор компонентов.
- Изучить функционально-технологические свойства (ФТС) препаратов молочных белков.
- Исследовать влияние растворимых пищевых волокон (рПВ) на ФТС препаратов молочных белков. На основании проведенных исследований выбрать препараты белка и рПВ.
- Разработать рациональный состав композиций, обеспечивающий получение напитков с заданными свойствами, содержащих физиологически значимое количество рПВ.
- Разработать технологию сбалансированных композиций, включающих натуральные вкусоароматические ингредиенты для формирования различных вкусоароматических профилей напитков.
- Исследовать основные качественные показатели сбалансированных композиций.
- На основании результатов клинических испытаний оценить эффективность применения функциональных напитков, приготовленных на основе разработанных композиций.
- Разработать проект технической документации на производство сбалансированных композиций для функциональных напитков и рекомендации по их применению.
Научная новизна. На основании результатов аналитических исследований научной и патентной литературы сформулированы медико-биологические рекомендации, физико-химические и органолептические требования к сбалансированным композициям для функциональных напитков, рекомендованных для употребления в качестве фитнес-напитков и напитков для завтрака.
Установлена динамика изменения растворимости препаратов концентрата сывороточного белка (КСБ) и казеината натрия от pH и температуры, а также растворимости КСБ при совместном использовании с рПВ «Fibregum B» и «Floracia», на основании которой выбраны препараты белка и рПВ для функциональных напитков, диапазон соотношений препаратов КСБ и рПВ, соответствующий 1:0,250,5, при которых белок обладает наибольшей растворимостью.
Выявлено, что при указанных соотношениях препараты рПВ способствуют повышению пенообразующих свойств КСБ, положительно влияющих на органолептические показатели напитка.
Определены зависимости динамической вязкости растворов, эмульсионных и пенообразующих свойств КСБ от содержания рПВ в водном растворе, на основании которых установлен рациональный качественный и количественный состав сухих композиций, позволяющий получить устойчивые функциональные напитки с требуемой вязкостью, высокими пенообразующими свойствами, содержащие физиологически значимое количество рПВ.
Практическая значимость. На основании результатов проведенных исследований разработана технология сбалансированных композиций для функциональных напитков (ФН) с использованием препаратов КСБ и рПВ. Разработаны проект технической документации на сбалансированные композиции для ФН, рекомендованных для употребления в качестве фитнес-напитков и напитков для завтрака, а также рекомендации по их применению.
Выработана опытная партия сбалансированных композиций. Получено заключение о результатах клинических испытаний ФН, проведенных на базе медицинского центра ООО «СПОРТМЕД». Результаты испытаний показали, что напитки, полученные на основе разработанных композиций, способствуют росту и развитию полезной микрофлоры кишечника, улучшению пищеварения, нормализации белкового статуса и витаминно-минерального обмена, а также повышению общей физической работоспособности.
Подана заявка на патент № 2009138159 от 09.10.2009 «Композиция для функционального напитка».
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были представлены на 1-ом Всероссийском съезде диетологов и нутрициологов «Диетология: проблемы и горизонты» (Москва, 2006); 5-ой Международной научно-практической конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2006); 4-ом Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2007); Международном форуме «Фундаментальные и прикладные проблемы питания» (Санкт-Петербург, 2007); 5-ой Международной конференции-выставке «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах ВАК, подана заявка №2009138159 на выдачу патента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы, приложений. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков и 20 таблиц. Библиографический список включает 185 источников, в том числе 97 зарубежных авторов, количество приложений – 4.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы.
В первой главе представлен обзор литературы, в котором проведен анализ структуры питания современного человека, рассмотрены основные ее нарушения и пути коррекции. Рассмотрена концепция функциональных пищевых продуктов, а также ее определяющая роль в развитии современной пищевой индустрии. Анализ отечественного и зарубежного рынка функциональных пищевых продуктов показал, что наиболее перспективной и динамично развивающейся является группа ФН. Приведена классификация ФН. Рассмотрена роль пребиотических рПВ на состояние ЖКТ и здоровья современного человека. Приведены современные способы производства сухих продуктов, рассмотрены конструкции аппаратов, применяемых для смешивания порошкообразных веществ.
Проведенный анализ научно-технической и патентной литературы позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе представлена схема проведения эксперимента (рис 1.), даны описания объектов и методов исследования.
В соответствии с целью и задачами работы объектами исследований являлись:
- препараты молочных белков: казеинат натрия “Caseinates special diet
Protarmor” (компания “Armor”, Франция) далее КазNa; концентрат сывороточного белка «Hiprotal - 580» (компания «Friesland Foods Domo», Нидерланды) далее КСБ; изолят сывороточного белка «GP-92» (компания «Saputo Ingredients», Нидерланды) далее ИСБ;
- препараты растворимых пищевых волокон полисахаридной природы: гуммиарабик «Fibregum B» далее рПВ «Fibregum B» и смесь гуммиарабика с фруктоолигосахаридами «Floracia» далее рПВ «Floracia» (компания “CNI”, Франция);
- загустители полисахаридного происхождения: гуаровая камедь “Grindsted Guar 178” (компания “Danisco”, Дания), крахмал холодного набухания «Koldeveli-3681» (компания «Roquette», Италия), -каррагинан “Irgel” (компания “CNI”, Франция);
- мальтодекстрин «MD-1925 QS» с декстрозным эквивалентом (ДЭ) 18-20 (компания «Syral», Франция), фруктоза (ООО «Сладкий Мир», Россия);
- системы, состоящие из вышеуказанных препаратов белков и рПВ;
- сухие композиции и модельные напитки, полученные на их основе в лабораторных условиях.
При оценке состава и свойств исследуемых объектов определяли следующие показатели: массовую долю влаги [1] – по ГОСТ 29246, белка [2] – по ГОСТ 23327, жира [3] – по ГОСТ 29247, золы [4] – по ГОСТ 15113, рН [5] – по ГОСТ 26781; содержание рПВ [6] – по «Руководству по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище Р 4.1.1672-03».
Рис 1. Схема проведения исследований
Растворимость белковых препаратов [7] и стабильность эмульсий [8] определяли методами, разработанными д.т.н. Гуровой Н.В. Термоустойчивость [9] определяли в результате визуальной оценки растворов белков после термообработки. Пенообразующую способность [10] определяли как отношение высоты пены, полученной в результате встряхивания в цилиндре водной дисперсии препарата белка в течение 1 мин. в горизонтальном положении, к высоте исходной жидкости в %. Стабильность пены [11] препаратов белков определяли как отношение высоты пены, оставшейся после 15 мин. стояния, к первоначальной высоте пены и выраженное в %. Динамическую вязкость растворов и модельных напитков [12] определяли на вискозиметре Гепплера по ГОСТ 27709, дисперсность эмульсий [13] – с помощью системы анализа изображений “Leitz Tas Plus”.
Насыпную плотность сухих продуктов [14] – по ГОСТ Р 51462-99, гранулометрический состав сухих продуктов [15] – на рассеве «У1 ЕРЛ»; массовую долю витамина С [16] – по ГОСТ 3067; перекисное [17] и кислотное числа [18] - по ГОСТ 26593-85; жирнокислотный состав продуктов [19] - методом газовой хроматографии (газовый хроматограф «Кристалл – 5000.1»); аминокислотный состав [20] - методом ионообменной хроматографии на автоматическом аминокислотном анализаторе “Biotronic LC-7000”; органолептические показатели [21] – по ГОСТ 29245; микробиологические показатели [22] – по ГОСТ 10444, ГОСТ 30518, ГОСТ Р 50480, ГОСТ 30726, ГОСТ 28805.
Исследования проводили в 3-5-кратной повторности. Обработку экспериментальных данных осуществляли методами математической статистики.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В третьей главе на основании методических рекомендаций о нормах физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах, утвержденных министерством здравоохранения РФ, и научных данных о механизмах гомеостазирования организма, сформулированы медико-биологические рекомендации (МБР) к составу ФН. С учетом требований современной нутрициологии, а также на основании анализа состава и реологических характеристик представленных на рынке композиций и готовых к употреблению ФН сформулированы физико-химические и органолептические требования к напиткам (табл.1).
В качестве источника белка разрабатываемых композиций были выбраны препараты молочных белков КазNa, КСБ и ИСБ с содержанием белка в препаратах 88, 80 и 92% соответственно. В качестве углеводного компонента была выбрана смесь мальтодекстрина и фруктозы. Жировой компонент представлен смесью порошков кокосового, подсолнечного и рапсового масел. Порошок кокосового масла является источником среднецепочечных триглице-
Таблица 1
Требования к разрабатываемым функциональным напиткам
| Медико-биологические рекомендации | |||||||
| Показатели | Значения | ||||||
| Калорийность продукта | 70 - 100 ккал/ 100 мл | ||||||
| Общая энергия/ белковый азот | 23,7 ккал/г | ||||||
| Небелковая энергия/белковый азот | 17,3 ккал/г | ||||||
| Белковый компонент | 15-17% калорийности не менее 3,2 г/100 мл | ||||||
| Жировой компонент | 25-27% калорийности не более 3,0 г/100 мл | ||||||
| Соотношение СЦТГ : ДЦТГ | 40 : 60 | ||||||
| Соотношение - 6 : – 3 | 6 : 1 | ||||||
| Углеводный компонент, в том числе растворимых пищевых волокон | 56-58% калорийности не менее 13,25 г/100 мл не менее 2,0 г/100 мл | ||||||
| Витаминов и минеральных веществ | 20 - 40 % от РСНП | ||||||
| Физико-химические требования | |||||||
| Готовый напиток | Вязкость | 10 - 14 мПа·с | |||||
| рН | 5,6 – 7,2 | ||||||
| Органолептические требования | |||||||
| Со вкусом кофе | Со вкусом клубники | Со вкусом шоколада | |||||
| Сбалансированная композиция | Внешний вид | Мелкодисперсный однородный порошок, допускается наличие легко рассыпающихся при механическом воздействии комочков, с включениями частичек экстракта кофе или порошка клубники или какао-порошка | |||||
| Цвет | Кофе с молоком | Молочно-розовый | Шоколадный | ||||
| Вкус и запах | Приятный выраженный кофейный вкус и аромат | Приятный выраженный вкус и аромат клубники | Приятный выраженный вкус и аромат шоколада | ||||
| Растворимость | Растворимость в воде менее 2 мин при t = 60-85 C | ||||||
| Готовый напиток | Внешний вид | Однородная жидкость без осадка | |||||
| Цвет | Кофе с молоком | Молочно-розовый | Шоколадный | ||||
| Вкус и запах | Приятный выраженный кофейный вкус и аромат | Приятный выраженный вкус и аромат клубники | Приятный выраженный вкус и аромат шоколада | ||||
ридов (СЦТГ), порошки рапсового и подсолнечного масла - источником полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) омега-3 и омега-6 соответственно, а также источником длинноцепочечных триглицеридов (ДЦТГ). Учитывая, что оптимальным для здорового человека является соотношение омега – 6 : омега – 3 около 6:1, и на основании результатов проведенных исследований состава растительных масел был разработан сбалансированный по составу жировой компонент, содержащий СЦТГ в количестве 40-60%, ДЦТГ - 20-50%, МНЖК и ПНЖК - 10-20%. Подобранный жировой компонент участвует в формировании вкуса готового напитка, делает его более полным, способствует насыщению, а также может оказывать нормализующее действие на жировой обмен.
На основании результатов многочисленных клинических исследований, проведенных за рубежом и в России, в качестве источника рПВ с выраженными пребиотическими свойствами были выбраны гуммиарабик торговой марки “Fibregum B” и смесь гуммиарабика с ФОС торговой марки “Floracia”. Данные препараты рПВ способствуют снижению гликемического индекса, кроме того, за счет ФОС “Floracia” способствует также повышению усвояемости минеральных веществ (значительно увеличивается абсорбция Ca, Mg, Zn).
На основании обзора рынка ФН были выбраны наиболее популярные у потребителей вкусы: кофе, клубника, шоколад. При создании вкусоароматических профилей напитков использовались натуральные (фруктовый порошок клубники, порошок экстракта кофе, какао-порошок) и идентичные натуральным вкусоароматические ингредиенты, обеспечивающие высокие органолептические свойства готового напитка.
Таким образом, функциональные напитки, разработанные на основе сформулированных требований, при систематическом употреблении будут обеспечивать организм сбалансированным количеством основных макронутриентов, удовлетворять потребности в рПВ для предотвращения развития дисбактериоза за счет нормализации микрофлоры кишечника, а также удовлетворять потребности организма человека в эссенциальных микронутриентах.
В четвертой главе приведены результаты изучения функционально-технологических свойств исследуемых препаратов белков и рПВ, а также результаты исследования влияния рПВ на ФТС молочных белков. Изучены растворимость белков, термоустойчивость, динамическая вязкость растворов, эмульсионные и пенообразующие свойства белков в водных растворах, а также при различных соотношениях с рПВ.
Термоустойчивость белков в водных растворах является важным свойством для препаратов белков, которые используются в производстве термообработанных напитков. Термоустойчивость оценивали после термообработки (Т/О) растворов белка при 85оС в течение 15 мин, что соответствует режиму пастеризации готового напитка. В результате исследования установлено, что растворы препаратов КазNa и КСБ устойчивы при Т/О. В растворах ИСБ при Т/О происходит коагуляция белка, наблюдается образование белых хлопьев во всем объеме раствора. В этой связи препарат ИСБ был исключен из дальнейших исследований.
На рис. 2 приведены зависимости, демонстрирующие изменение растворимости молочных белков при различных значениях pH и температуры.
| а | б |
 |
Рис.2. Изменение растворимости молочных белков в зависимости от:
а – pH; б - температуры
Растворимость белков исследовали в диапазоне значений pH от 3,0 до 7,0. Из рис. 2а видно, что КазNa имеет кривую растворимости с минимумом в области изоэлектрической точки (ИЭТ), поэтому его использование ограничивается напитками, имеющими значение pH выше 6,0. КСБ имеет высокую растворимость во всем диапазоне pH, что позволяет использовать его в производстве напитков с низким значением pH, даже в ИЭТ его растворимость не падает ниже 80%.
Исследование растворимости белков проводили в диапазоне температур от 20 до 85C при pH 6,2-7,2. При 20C время Т/О составляло 60 мин, при 40C - 45 мин, 60C – 30 мин, 85C – 15 мин. Полученные графические зависимости (рис. 2б) свидетельствуют о том, что с повышением температуры от 20C до 85C растворимость КСБ и КазNa увеличивается на 6,5% и 11,8% соответственно. При этом значение растворимости КСБ выше, чем у КазNa, в среднем, на 6% при соответствующих температурах.
Реологические характеристики готовых напитков оказывают влияние на органолептическое восприятие продукта. В соответствии с МБР содержание жирового компонента в разрабатываемом напитке не превышает 3,0%, поэтому вязкость готового напитка, главным образом, будет зависеть от концентрации высокомолекулярных компонентов, таких как молочный белок и полисахариды.
На рис 3. представлены зависимости динамической вязкости водных растворов препаратов молочных белков от концентрации белка до и после Т/О.
а  | б  |
Рис. 3. Зависимость вязкости растворов препаратов молочных белков от концентрации белка до и после термообработки: а – КСБ; б – КазNa
На основании полученных данных установили, что в диапазоне концентраций от 2,0 до 8,0% исследуемые препараты молочных белков дают низковязкие растворы. Значения вязкости растворов КСБ в исследуемом диапазоне концентраций до Т/О изменяются от 1,25 до1,94 мПа·с, после Т/О – от 1,34 до 2,1 мПа·с. Значения вязкости растворов КазNa до Т/О составляют 2,2- 4,8 мПа·с, после Т/О – 2,38-5,25 мПа·с. После Т/О вязкость растворов КСБ увеличивается, в среднем, на 6-8%, вязкость растворов КазNa – на 8-10%.
Вязкость водных растворов исследуемых молочных белков не превышает заданное значение вязкости готового напитка, поэтому они могут быть использованы для создания ФН.
Эмульсионные свойства препаратов молочных белков определяли исходя из оценки стабильности эмульсий. Стабильность эмульсий (СЭ) оценивали как долю масляной фазы, не отделившейся при испытании. Концентрация препаратов КазNa и КСБ в модельных эмульсиях составляла 2,0, 4,0, 6,0 и 8,0%. В качестве жировой фазы модельной эмульсии использовали растительное масло, концентрация масла составляла 3,0, 5,0 и 10,0%.
Было установлено, что при концентрации белков от 2,0 до 8,0% модельные эмульсии обладают 100%-ой стабильностью, и только в эмульсиях, содержащих 2% препаратов белков и 10% растительного масла, наблюдается незначительное отделение масляной фазы.
Молочные напитки и коктейли традиционно должны иметь достаточно высокую и устойчивую шапку пены, которая влияет на органолептические показатели. Из компонентов, входящих в состав разрабатываемых композиций, наибольшее влияние на формирование пены напитка оказывают молочные белки. Результаты по изучению пенообразующих свойств препаратов белков представлены на рис. 4.
| а | б |
 |  |
Рис. 4. Зависимость пенообразующих свойств белков от их концентрации в растворе: а – пенообразующая способность; б – стабильность пены
Из рис. 4 следует, что увеличение концентрации белков от 2,0 до 8,0% способствует повышению пенообразующей способности (ПОС) и стабильности пены (СП) исследуемых препаратов белков. Установлено, что ПОС и СП препарата КСБ выше по сравнению с КазNa, в среднем, на 15% и 20% соответственно. Таким образом, для получения напитков с высокими пенообразующими свойствами рекомендовано использовать препарат КСБ.
На основании результатов проведенных исследований ФТС препаратов молочных белков следует, что наилучшие показатели имеет термоустойчивый препарат КСБ, который использовали в дальнейших исследованиях.
На следующем этапе исследовали изменение динамической вязкости водных растворов препаратов рПВ в зависимости от их концентраций, выбранных в соответствии с МБР, до и после Т/О (рис. 5).
| а | б |
 |  |
Рис. 5. Изменение вязкости растворов препаратов рПВ в зависимости от концентрации до и после термообработки: а - «Fibregum B»; б - «Floracia»
Из рис. 5 видно, что исследуемые препараты рПВ в диапазоне концентраций от 2,0 до 6,0% дают низковязкие растворы: значения вязкости растворов рПВ «Fibregum B» до Т/О составляют 1,5-2,6 мПа·с, растворов рПВ «Floracia» - 1,3-1,95 мПа·с. После Т/О вязкость растворов рПВ практически не изменяется. Вязкость растворов «Fibregum B», в среднем, на 20% выше по сравнению с «Floracia». Низкие значения вязкости растворов исследуемых препаратов рПВ позволяют вводить их физиологически значимое количество без значительного изменения вязкости готового напитка.
Учитывая, что исследуемые препараты рПВ дают низковязкие растворы, оба препарата можно использовать для разработки ФН.
На следующем этапе было проведено исследование влияния рПВ на ФТС препарата КСБ. Изучены растворимость, вязкость водных растворов, эмульсионные и пенообразующие свойства КСБ при различных соотношениях с рПВ.
На рис. 6 и 7 представлены зависимости, демонстрирующие изменение растворимости КСБ от его соотношения с рПВ при 20С и 85С соответственно.
Рис.6. Изменение растворимости КСБ в зависимости от соотношения с рПВ при t=20C
Рис.7. Изменение растворимости КСБ в зависимости от соотношения с рПВ при t=85C
Полученные данные показывают, что при t=20C и t=85C добавление рПВ к КСБ до соотношения КСБ/рПВ =1:0,5 растворимость исследуемого белка изменяется незначительно. При дальнейшем увеличении рПВ в системе происходит резкое снижение доли растворимого белка. При этом при t=20C и t=85C в исследуемом диапазоне соотношений растворимость молочного белка в системе КСБ - рПВ«Floracia» выше по сравнению с системой КСБ - рПВ «Fibregum B».
С целью разработки напитка с высокими органолептическими показателями было проведено изучение влияния препаратов рПВ на пенообразующие свойства КСБ в диапазоне ранее исследуемых соотношений. Полученные результаты показывают, что введение рПВ увеличивает ПОС и СП препарата КСБ на 17-20%.
Исходя из выбранных соотношений КСБ/рПВ, соответствующих диапазону 1:0,250,5, исследовали влияние «Fibregum В» и «Floracia» на стабильность эмульсий, содержащих в своем составе КСБ 4, 6, 8,%, рПВ 2%, масляную фазу 3, 5, 10%. Из анализа полученных данных следует, что введение 2% препаратов рПВ не влияет на изменение стабильности эмульсий. Все исследованные модельные эмульсии обладают 100%-ной стабильностью.
Таким образом, в исследуемом диапазоне соотношений показатели растворимости, пенообразующих и эмульсионных свойств молочного белка в системе КСБ – рПВ «Floracia» выше по сравнению с системой КСБ - рПВ «Fibregum B». На основании полученных данных при разработке сбалансированных композиций для ФН выбраны для совместного использования препараты КСБ и рПВ «Floracia» в соотношении 1:0,250,5.
Установлено, что значения вязкости водных растворов КСБ с рПВ «Floracia» в соотношении 1:0,250,5 ниже значения в сформулированных требованиях к готовым напиткам, поэтому с целью регулирования вязкости напитков исследовали влияние различных загустителей полисахаридной природы на вязкость модельной системы. В ходе математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие изменение вязкости модельных напитков от концентрации КСБ, рПВ и выбранных загустителей (табл.2).
Таблица 2
Зависимости вязкости модельного напитка от концентрации компонентов
| Наименование загустителя | Уравнения регрессии | Диапазон рациональных концентраций |
| Гуаровая камедь “Grindsted Guar 178” |  ,  0.946 |  |
| Крахмал «Koldeveli-3681» |  ,  0.992 |  |
| -Каррагинан “Irgel” |  ,  0.975 |  |
R2 - достоверность аппроксимации, у – вязкость модельного напитка после Т/О, мПа·с, х1-концентрация КСБ, %, х2– концентрация загустителя, %, х3 - концентрация рПВ «Floracia»,%.
Решение данных уравнений позволило определить диапазоны рациональных концентраций компонентов, определяющих вязкость модельных напитков, которая в соответствии с требованиями должна составлять от 10 до 14 мПа·с.
Таким образом, в результате выполненных экспериментальных исследований и математической обработки полученных результатов на модельных напитках установлено, что рациональными концентрациями компонентов, позволяющих получить заданную вязкость, являются: 4% КСБ, 2% рПВ «Floracia», загустители - 0,1% гуаровой камеди или 1,5% крахмала или 0,1% -каррагинана.
В пятой главе разработаны рецептуры и технология сбалансированных композиций для фитнес-напитков и напитков для завтрака. При разработке рецептур учитывали требования, сформулированные в третьей главе. В табл. 3 приведены рецептуры композиций, отличающиеся используемыми вкусоароматическими ингредиентами и загустителями полисахаридной природы.
Таблица 3
Рецептуры сбалансированных композиций
| Наименование компонента | Содержание компонентов, % | ||
| Со вкусом кофе | Со вкусом клубники | Со вкусом шоколада | |
| Концентрат сывороточного белка | 16,5 | 16,5 | 16,5 |
| Мальтодекстрин (ДЭ 18-20) | 33,5 | 32,0 | 34,4 |
| Фруктоза | 16,4 | 8,2 | 17,0 |
| Порошок кокосового масла | 7,0 | 7,0 | 6,7 |
| Порошок рапсового масла | 6,7 | 6,7 | 5,9 |
| Порошок подсолнечного масла | 2,4 | 2,4 | 1,9 |
| Растворимое пищевое волокно «Floracia» | 8,9 | 8,9 | 8,9 |
| Витаминный премикс | 0,07 | 0,07 | 0,07 |
| Минеральный премикс | 1,91 | 1,91 | 1,91 |
| Вкусовые добавки: Экстракт кофе Фруктовый порошок – порошок клубники Какао-порошок | 6,3 - - | - 10,0 - | - - 6,0 |
| Ароматизатор | 0,32 | 0,32 | 0,32 |
| Загуститель: Гуаровая камедь Крахмал холодного набухания -Каррагинан | 0,4 - - | - 6,0 - | - - 0,4 |
| Итого: | 100,00 | 100,00 | 100,00 |
С целью обогащения напитков витаминами и минеральными веществами в заданном количестве и соотношении, были разработаны витаминный и минеральный премиксы (табл. 4 и 5).
| Таблица 4 | Таблица 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рецептура витаминного премикса |
Рецептура минерального премикса | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Введение витаминного и минерального премиксов в рекомендуемых дозировках обеспечивает удовлетворение с одной порцией напитка от 20 до 40% суточной потребности здорового человека в микронутриентах в соответствии с рекомендациями ГУ НИИ питания РАМН.
Разработанный состав витаминного и минерального премиксов способствует улучшению усвояемости белкового компонента, а также создает совместно с рПВ «Floracia» оптимальные условия для развития бифидо- и лактобактерий.
На основании проведенных экспериментальных исследований была разработана общая технологическая схема производства сбалансированных композиций и готовых функциональных напитков (рис. 8).
Производство композиции осуществляется путем смешивания сухих компонентов. Установлено, что для получения многокомпонентной смеси высокого качества целесообразно смешивание проводить по двухстадийной схеме. На первом этапе смешивают минорные компоненты, на втором - полученную на первом этапе смесь с углеводным и белковым компонентами.
Равномерность распределения используемых компонентов является определяющим при оценке качества сухих смесей. Для получения композиции с равномерным распределением компонентов проводили отработку режимов смешивания с использованием барабанного смесителя периодического действия «Турбула» С 2.0.
Качество смешивания оценивали по коэффициенту неоднородности распределения витамина С. Для этого определяли его содержание в опытных образцах смесей с различной продолжительностью смешивания. В ходе проведения экспериментальных исследований установлено, что рациональным режимом смешивания на смесителе «Турбула» С 2.0. является:
- на первом этапе: время смешивания 60 мин, коэффициент загрузки смесительной камеры 0,6, частота вращения чаши 50 об/мин;
- на втором этапе: время смешивания 50 мин, коэффициент загрузки смесительной камеры 0,6, частота вращения чаши 50 об/мин.
В соответствии с разработанными рецептурами и технологией в ПНИЛЭФМОПП были выработаны и исследованы опытные партии сбалансированных композиций.
В шестой главе проведены исследования основных качественных показателей, а также клинические испытания опытных партий сбалансированных композиций и полученных на их основе ФН. Физико-химические показатели композиции и готового напитка (в порции объемом 250 мл содержится 50 г композиции) непосредственно после приготовления представлены в табл. 6. В качестве примера приведены показатели композиции и готового напитка со вкусом кофе, содержащие в качестве загустителя гуаровую камедь.
Таблица 6
Основные физико-химические показатели композиции и
готовых напитков
| Показатели | Значения показателей | |
| композиции | порции готового напитка | |
| Массовая доля влаги, %, | 5,35±0,22 | |
| Массовая доля белка, % | 15,07±0,10 | 7,53±0,12 |
| Массовая доля жира, % | 11,95±0,12 | 5,98±0,10 |
| Массовая доля углеводов, в т.ч. растворимых пищевых волокон, % | 62,71±0,55 8,01±0,15 | 31,36±0,50 4,0±0,12 |
| Массовая доля золы, % не более | 4,92±0,15 | 2,46±0,10 |
| Насыпная плотность, г/см3 | 0,55±0,10 | |
| Растворимость, сек | 40±10 | |
| Вязкость, мПа·с | 13,5±0,2 | |
| Активная кислотность, ед. рН | 6,81±0,05 | |
| Средний размер капель масла, мкм | 1,60±0,05 | |
  |
| Рис. 8. Общая технологическая схема производства сбалансированных композиций и готовых функциональных напитков |
Для установления допустимых сроков хранения сухих композиций проводили исследование физико-химических, микробиологических, органолептических показателей при хранении при температуре (20±5)°С, относительной влажности воздуха 75 % в течение 18 месяцев (с учетом коэффициента запаса). Изменение физико-химических показателей композиции представлены в табл. 7.
Таблица 7
Динамика изменения основных физико-химическиех показателей композиции в процессе хранения
| Показатели | Продолжительность хранения, мес. | |||
| 0 | 6 | 12 | 18 | |
| Массовая доля влаги, %, | 5,35±0,22 | 5,35±0,20 | 5,39±0,19 | 5,55±0,20 |
| Массовая доля белка, % | 15,07±0,10 | 15,07±0,12 | 15,07±0,11 | 15,05±0,10 |
| Массовая доля жира, % | 11,95±0,12 | 11,95±0,11 | 11,95±0,13 | 11,95 ±0,10 |
| Массовая доля углеводов, % в т.ч. рПВ, % | 62,71±0,55 8,01±0,15 | 62,71±0,50 8,01±0,12 | 62,71±0,53 8,01±0,10 | 62,71±0,52 8,01±0,11 |
| Массовая доля золы, % | 4,92±0,15 | 4,92±0,13 | 4,92±0,10 | 4,92±0,12 |
| Насыпная плотность, г/см3 | 0,55±0,10 | 0,55±0,11 | 0,55±0,12 | 0,54±0,10 |
Анализ данных, показал, что после 12 месяцев хранения сухой композиции происходит некоторое увеличение содержания влаги, уменьшение насыпной плотности, а, следовательно, и сыпучести композиции.
Результаты исследования гранулометрического состава композиции в процессе хранения представлены в табл. 8.
Таблица 8
Гранулометрический состав композиции в процессе хранения
| Размер частиц, мм | Срок хранения, мес. | ||||
| 0 | 3 | 6 | 12 | 18 | |
| 0,45 | 6,1% | 6,1% | 6,4% | 6,8% | 8,8% |
| 0,25 | 13,0% | 13,6% | 13,9% | 14,5% | 17,9% |
| 0,2 | 4,4% | 4,5% | 4,6% | 5,0% | 6,3% |
| 0,14 | 16,0% | 16,0% | 16,1% | 16,3% | 16,9% |
| 0,08 | 32,7% | 32,5% | 32,0% | 30,9% | 26,8% |
| <0,08 | 27,8% | 27,3% | 27,0% | 26,5% | 23,3% |
Установлено, что хранение композиции более 12 месяцев приводит к увеличению содержания фракции с размером частиц 0,45 мм.
На следующем этапе была проведена органолептическая оценка напитков, приготовленных на основе композиций, хранившихся в течение 6, 12 и 18 месяцев (рис.9).
а б в
 |  |  |
Рис. 9. Профилограммы органолептической оценки напитков, приготовленных на основе композиций, хранившихся в течение:
а – 6 месяцев; б –12 месяцев; в – 18 месяцев
Показатели: 1- вкус; 2 – консистенция; 3 – запах; 4 – цвет; 5 – внешний вид.
Установлено, что органолептические свойства напитков, приготовленных на основе композиций, хранившихся в течение 18 месяцев, снижались по показателям вкуса и запаха.
На заключительном этапе были определены микробиологические характеристики и показатели окислительной порчи опытных образцов композиций. Разработанные композиции характеризуются микробиологической чистотой, как в день выработки, так и в течение всего срока хранения. При этом изменение показателя КМАФАнМ в конце срока хранения составил 1,9103 КОЕ/г, что ниже нормы в 2,6 раза. Бактерии группы кишечной палочки и S.Aureus, E.coli в 1 г продукта, а также патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонелллы в 25 г продукта, плесени, дрожжи, В.cereus на протяжении всего срока хранения не обнаружены. Перекисное и кислотное числа, характеризующие уровень накопления продуктов окисления, в процессе хранения в течение 18 месяцев полностью соответствуют требованиям и нормам СанПиН 2.3.2.1078-01.
Результаты физико-химических и органолептических исследований, а также соответствие разработанных композиций по показателям микробиологической обсемененности и окислительной порчи требованиям и нормам СанПиН 2.3.2.1078-01 послужили основанием для установления срока годности 12 месяцев при хранении при температуре (20±5)°С и относительной влажности воздуха не более 75%.
На основании проведенных исследований был разработан проект технической документации.
В соответствии с рецептурой, с учетом физиологических потребностей взрослого человека в основных макро- и дефицитных микронутриентах были разработаны рекомендации по применению сбалансированных композиций. Для приготовления одной порции функционального напитка необходимо смешать 50 г композиции с 200 мл воды или обезжиренного молока температурой от 20 до 85С. Калорийность порции готового ФН, приготовленного на основе композиции в воде, составляет 200 ккал. Количество порций готового напитка, рекомендуемые для употребления в течение дня, составляет 1-2 и зависит от сбалансированности рациона питания потребителя.
При ежедневном употреблении рекомендуемого количества ФН, полученного на основе сбалансированных композиций, организм человека получает 7,5-15 г полноценного белка, 29-58 г углеводов, 5,9-11,8 г жира, что соответствует 10-20% от рекомендуемой суточной нормы потребления пищевых веществ. При этом человек получает рПВ в количестве 4-8 г, что составляет 20-40% от рекомендуемой суточной нормы потребления пищевых волокон.
Оценка эффективности применения ФН, полученных на основе разработанных сбалансированных композиций, проводилась на базе медицинского центра ООО «СПОРТМЕД» по рекомендациям, предложенным автором. Исследования проводили на группе взрослых людей в возрасте от 20 до 29 лет, системно занимающихся фитнесом. Готовый ФН включали в ежедневный рацион испытуемых в рекомендуемом количестве. Для оценки воздействия ФН на организм обследуемых использовали стандартные лабораторные и биохимические методы исследования. Клинико-биохимический анализ крови включал в себя показатели общей биохимии крови, клинического анализа крови, белкового, витаминного и минерального обменов.
В результате проведенных испытаний было установлено, что регулярное включение в ежедневный рацион питания ФН, полученных на основе разработанных сбалансированных композиций, благодаря физиологически значимому количеству рПВ «Floracia» и сбалансированному составу макро- и микронутриентов, способствует росту и развитию бифидо- и лактобактерий и, как следствие, улучшению пищеварения, нормализации белкового статуса, витаминно-минерального обмена и общей работоспособности.
ВЫВОДЫ
- На основании аналитических исследований научной и патентной литературы, с учетом физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах, а также научных данных о механизмах гомеостаза организма сформулированы медико-биологические рекомендации, физико-химические и органолептические требования к ФН, рекомендованным в качестве фитнес-напитков и напитков для завтрака.
- Изучена динамика изменения растворимости концентрата сывороточного белка в зависимости от его соотношения с рПВ «Floracia», на основании которой выявлен диапазон соотношений КСБ/рПВ 1:0,250,5, при которых белок обладает наибольшей растворимостью.
- Установлено, что при соотношении КСБ/рПВ в диапазоне 1:0,250,5 препараты рПВ способствуют повышению пенообразующих свойств КСБ на 17%, что положительно влияет на органолептические показатели напитков.
- Разработан рациональный состав композиций, содержащий 16,5% белкового, 50% углеводного и 16,1% жирового компонентов, 8,9% рПВ. Установлено, что употребление напитков в рекомендуемом количестве (1-2 порции в день), обеспечивает организм человека 7,5-15 г полноценного белка, 29-58 г углеводов, 5,9-11,8 г жира, 4-8 г рПВ, что соответствует 10-20% от рекомендуемой суточной нормы потребления пищевых веществ и 20-40% от рекомендуемой суточной нормы потребления пищевых волокон.
- Разработана технология сбалансированных композиций для функциональных напитков с вкусоароматическими профилями кофе, клубники и шоколада.
- На основании результатов исследования изменений физико-химических, микробиологических и органолептических показателей разработанных композиций установлен срок годности композиций 12 месяцев при хранении (20±5)°С и относительной влажности воздуха не более 75%.
- Исследована эффективность применения функциональных напитков, приготовленных на основе сбалансированных композиций. Получено заключение о результатах клинических испытаний функциональных напитков, проведенных на базе медицинского центра ООО «СПОРТМЕД». Показано, что разработанные композиции способствуют улучшению пищеварения, нормализации белкового статуса и витаминно-минерального обмена, а также повышению общей физической работоспособности.
- Разработаны проект технической документации на производство сбалансированных композиций для ФН и рекомендации по их применению.
Список сокращений, используемых в автореферате
ФН – функциональные напитки
МБР– медико-биологические рекомендации
ФТС – функционально-технологические свойства
рПВ – растворимые пищевые волокна
ГА – гуммиарабик
ФОС - фруктоолигосахариды
КСБ – концентрат сывороточного белка
ИСБ – изолят сывороточного белка
КазNa – казеинат натрия
Т/О – термообработка
ПОС – пенообразующая способность
СП – стабильность пены
ЖКТ - желудочно-кишечный тракт
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Баженова, Е.Н. Влияние гуммиарабика, используемого для создания сбалансированного эмульсионного напитка, на функционально-технологические свойства молочных белков // Диетология – проблемы и горизонты: материалы 1-ого Всероссийского съезда диетологов и нутрициологов. – М., 2006. – С. 7.
- Баженова, Е.Н. Разработка эмульсионного сбалансированного напитка для функционального питания // Живые системы и биологическая безопасность населения: материалы 5-ой Международной научно-практической конференции. – М.: МГУПБ, 2006. – С. 84-85.
- Баженова, Е.Н. Использование смеси гуммиарабика и фруктоолигосахаридов в сбалансированных эмульсионных напитках для функционального питания // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы 4-ого международного конгресса. – М., 2007. – С. 215.
- Токаев, Э.С. Напитки, обогащенные растворимыми пищевыми волокнами – один из путей профилактики заболеваний желудочно-кишечного тракта / Э.С. Токаев, Е.Н. Баженова// Фундаментальные и прикладные проблемы питания: Международный форум. – С-Пб., 2007. – С. 169-171.
- Токаев, Э.С. Обзор современного рынка функциональных напитков / Э.С. Токаев, Е.Н. Баженова// Пиво и напитки. – 2007. № 4. – С. 4-8.
- Токаев, Э.С. Сбалансированные напитки для завтрака / Э.С. Токаев, Е.Н. Баженова// Технология и продукты здорового питания: материалы 5-ой международной выставки-конференции. – М.: МГУПП, 2007. – С. 353-358.
- Токаев, Э.С. Использование растворимого пищевого волокна в производстве функциональных продуктов/ Э.С. Токаев, Е.Н. Баженова, Р.Ю. Мироедов// Технология и продукты здорового питания: материалы 5-ой международной выставки-конференции. – М.: МГУПП, 2007. – С.18 – 21.
- Токаев, Э.С. Сывороточные белки для функциональных напитков / Э.С. Токаев, Е.Н.Баженова, Р.Ю. Мироедов // Молочная промышленность. – 2007. - № 10. – С.55 – 56.
- Гурова, Н.В. Влияние рН и присутствия ионов кальция на растворимость молочных белков/ Н.В. Гурова, Е.Н. Баженова // Переработка молока. – 2008.- №2. – С.54 – 56.
- Токаев, Э.С. Сухое смешивание при производстве продуктов функционального питания / Э.С.Токаев, Р.Ю. Мироедов, Е.Н. Баженова // Молочная промышленность. – 2008. - № 11. – С.81 – 83.
