УДК 664 - Калининградский государственный технический
реклама
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. УДК 664.87; 663.94 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВЛАЖНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОРОШКООБРАЗНОМ ЗАМЕНИТЕЛЕ КОФЕ ИЗ ТОПИНАМБУРА Л.С. Байдалинова, В.А. Мельникова ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 236022, Россия, г. Калининград, Советский проспект, 1 E-mail: baydalinova@newmail.ru Рассмотрена перспективность использования влажной ферментации топинамбура при производстве заменителя кофе. Излагаются результаты экспериментальной работы по измерению количественного содержания инулина и продуктов меланоидинообразования в разрабатываемом заменителе кофе. топинамбур, подсолнечник клубненосный, заменитель кофе, инулин, ферментация, метод спектрофотометрии ВВЕДЕНИЕ Исследования последних лет убедительно указывают на ухудшение здоровья населения практически всех регионов России. При этом большинство заболеваний человечества - следствие неправильного питания, нарушения обмена веществ и высокого уровня загрязнения окружающей среды токсичными элементами. На сегодняшний день доказана связь между возникновением желудочно-кишечных, кожных, сердечно-сосудистых заболеваний и снижения иммунитета с экологическим неблагополучием окружающей среды, вследствие которого происходит загрязнение и внутренней среды организма человека. Следует отметить, что при возможном снижении количества потребляемой пищи, на которое ориентирует человека наука об оптимальном питании, потребление жидкости всеми группами населения должно оставаться неизменным и не может быть сокращено без серьезного ущерба для здоровья. В связи с этим, становится очевидной перспективность производства именно жидких функциональных продуктов - напитков, в составе которых присутствуют или в которые могут быть введены дополнительно функциональные ингредиенты. С технологической точки зрения напитки также более перспективны, так как схема их производства позволяет легко вводить дополнительные компоненты, в том числе из натурального растительного сырья. При рассмотрении вопроса создания функциональных напитков, которые могут применяться с целью профилактики диабета и гипертонии, особое внимание привлекает класс продуктов – заменителей кофе [1]. В качестве сырья для создания нового порошкообразного продукта – заменителя кофе – перспективным является сырье растительного происхождения - топинамбур (Helianthus tuberosus - подсолнечник клубненосный), широко распространенное многолетнее крупнотравянистое инулиносное растение. 142 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. Клубни топинамбура имеют высокую питательность. Основную массу сухих веществ (24,1-26,7) составляют углеводы, преимущественно фруктозаны, углеводы, среди которых наиболее ценным является инулин – резервный полисахарид. Топинамбур дает хороший терапевтический эффект при сахарном диабете II типа у больных с избыточной массой тела. В диетотерапии сахарного диабета предпочтение отдается потреблению свежих клубней перед принятием пищи из-за отсутствия до середины 90-х годов продуктов промышленной переработки топинамбура. Тем не менее инулинсодержащие добавки оказывают специфическое действие на толерантность тканей к углеводам, что позволяет избежать назначения акарбозы и бигуанидов при лечении, в том числе, метаболического синдрома. В желудочно-кишечном тракте человека инулин расщепляется соляной кислотой и ферментами на отдельные молекулы фруктозы и короткие фруктозные цепочки, которые проникают в кровеносное русло. Оставшаяся нерасщепленной часть быстро выводится, связывая собой различные ненужные организму вещества (тяжелые металлы, радионуклиды, холестерин, жирные кислоты, различные токсические химические соединения), разгружая печень. Инулин ускоряет очищение организма от шлаков, непереваренной пищи и вредных веществ, стимулируя сократительную способность кишечной стенки. По данным института питания РАМН, фруктозу следует употреблять больным сахарным диабетом (из расчета 0,5-12 г на 1 кг массы человека) в качестве ежедневного компонента пищи. Около 25 % населения в возрасте более 50 лет нуждаются в полной или частичной замене сахарозы фруктозой. Организация получения фруктозо-глюкозного сиропа (ФГС) из топинамбура в России позволит частично решить проблему дефицита сахара и расширить ассортимент продуктов с пониженной калорийностью – детского, диабетического и диетического назначений, плодово-овощных и молочных консервов, хлеба, кондитерских изделий, напитков и др. Производство ФГС тесно связано с получением инулина и фруктоолигосахаридов. В связи с этим оптимальной технологией является комплексная переработка инулинсодержащего сырья с выработкой различных продуктов: инулина, фруктоолигосахаридов, ФГС, фруктозы, этанола (этилового спирта) и кормов биомассы дрожжей по безотходной технологии. Обращает внимание содержание в топинамбуре биологически ценных компонентов – пектина и пищевых волокон. Употребление детьми и взрослыми сырых клубней топинамбура или продуктов его переработки является отличным лечебным и профилактическим средством дисбактериоза. За счет содержания большого количества пектинов клубни топинамбура используются в производстве мармелада, желе, варенья и джемов для диетического и детского питания. Кроме того, топинамбур уже на протяжении многих десятков лет находит применение в хлебобулочной, мясной, молочной и консервной промышленности, используется в производстве алкогольных и безалкогольных напитков, разнообразных биологически активных добавок (в этой сфере фармацевтической промышленности). Целью настоящей работы является изучение влияния отдельных этапов технологии получения заменителя кофе из топинамбура – в частности условий влажной ферментации на изменение содержания инулина и его метаболитов в разрабатываемом заменителе кофе. Технологическое воздействие способно 143 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. подвергать гидролизу и другим формам разрушения ценные компоненты сырья, в данном случае страдать может инулин. МЕТОДЫ Для определения влияния технологической обработки на сохранение инулина был использован спектрофотометрический метод. В последние годы особенно расширилось применение этого метода для количественного и качественного анализа исходного сырья и готовой продукции. При исследовании кинетики биохимических реакций обычно используется тот факт, что исходные вещества и продукты реакции имеют разное оптическое поглощение. Это позволяет следить за изменением их концентраций во времени. Объектами исследования служили кофейные напитки, при изготовлении которых топинамбур подвергался влажной ферментации в течение различного времени - два и сорок восемь часов. В качестве образцов сравнения брали клубни топинамбура в свежем виде, не подвергавшиеся какой-либо предварительной обработке, и лекарственный препарат инулина «Олиджим». В лабораторных условиях для получения заменителя кофе использовался топинамбур. Клубни топинамбура после мойки, очистки измельчаются до стружки шириной 2-3 и толщиной 0,3-05 мм. Стружкообразный материал подвергался влажной ферментации, сушке и последующему обжариванию. После обжаривания и охлаждения полученный порошок измельчался, степень измельчения готового продукта составила 407 мкм. Для влажной ферментации к измельченному материалу добавлялась вода в количестве 40% от его массы, смесь выдерживалась в течение 2 и 48 ч при температуре 19-21оС. В процессе ферментации естественным путем активируются энзимы и начинаются процессы разложения полисахаридов, что должно способствовать ускорению цветообразования и придавать готовому продукту мягкий, своеобразный вкус и аромат. Сушка материала после ферментации проводилась при температуре 80-90оС. Для получения сравнительных результатов цветообразования в продуктах из топинамбура исследовался свежий топинамбур, два вида приготовленного напитка из топинамбура и лекарственный препарат инулина «Олимжим». При подготовке образцов к исследованию от каждого из них (свежий топинамбур, препарат инулина «Олиджим» и два вида кофейного напитка) отбирались навески по 1 г. К каждой из них прибавляли по 100 мл очищенной дистиллированной воды и подвергали их нагреванию на кипящей водяной бане в течение 1 ч в конических колбах вместимостью 250 мл с обратным холодильником с целью гидролиза полисахаридов. Экстракты, полученные после отделения фильтрованием от плотной фракции, использовались для измерения оптической плотности на спектрофотометре при длинах волны от 200 до 400 нм. Полученные спектры поглощения в ультрафиолетовой зоне анализировали на наличие пиков избирательного поглощения. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Высокомолекулярные полисахариды, дающие истинные или коллоидные растворы в воде, к которым относится и инулин, не являются индивидуальными соединениями. Они представлены смесью молекул различной молекулярной 144 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. массы. Гидролиз нерастворимых субстратов происходит под влиянием эндо - и экзопептидаз. Гидролазы проникают внутрь частиц и вызывают дезагрегацию молекул. В топинамбуре наряду с инулином присутствуют целлюлоза, гемицеллюлоза, которые блокируют молекулы инулина [2] . При гидролизе гетерофазной системы внутриклеточные компоненты гидролизуются только после разрушения внешних структурных элементов тканей и клеток. Целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы участвуют в процессе деградации полисахаридов в тапинамбуре. Разрушению структурных элементов способствует измельчение материала. Гидролиз в данном процессе осуществляется ферментами самого сырья. В образованные при измельчении топинамбура пространства проникает вода, происходит разрыв водородных связей между молекулами. Частично деградированные субстраты гидролизуются быстрее высокомолекулярных. Инулин - это полимер β - 1, 2 - связанной фруктозы, у которого на нередуцирующем конце имеется один остаток глюкопиранозы, присоединенный 1,1- глюкозидной связью. Среднее число фруктозных остатков 30-40, молекулярная масса 5,0 - 6,5 кДа. Ферментативный гидролиз инулина осуществляют инулазы путем последовательного отщепления фруктозных остатков от фруктозного конца полимера. Механизм реакции - многоцепочечная или множественная атака. В концентрированных растворах субстрата гидролиз не достигает полноты. Под действием дифенолоксидазы растительные фенолы окисляются в хиноны, которые превращаются в меланины. Конденсация меланинов идет по свободнорадикальному механизму. Цвет меланинов зависит от их молекулярной массы – чем крупнее молекулы, тем темнее окраска с изменением от розового до черного. Окисление фенолов происходит при потемнении овощей при чистке и сушке [3]. Для борьбы с окислительным потемнением требуется разобщение фермента с кислородом. Ферментация – этап, при котором усиливается работа энзимов сырья. Большая часть высококачественных сортов кофе обрабатывается методом влажной ферментации. Это касается центрально-американских, колумбийских и мексиканских плантаций, а также кофе Кении и Танзании. Процессы, происходящие в кофейных зернах во время ферментации, значительно улучшают вкусовые качества кофе. Ферментация имеет разную продолжительность (от нескольких часов до нескольких суток). Степень измельчения топинамбура влияет на продолжительность процесса ферментации, В связи с этим при переработке топинамбура установлена степень измельчения материала до состояния стружки. Применение спектрофотометрии в УФ и видимой областях спектра основано на поглощении электромагнитного излучения соединениями, содержащими хромофорные (например, С = О, С = С, С = S) и ауксохромные (ОСН3, ОН, NH2) группы. Поглощение излучения в этих областях связано с возбуждением электронов s -, p - и n - орбиталей основного состояния и переходами молекул в возбужденные состояния: s : s*, n : s*, p : p* и n : p* (переходы перечислены в порядке уменьшения энергии, необходимой для их осуществления). Спектрофотометрическое исследование молекул в видимой и 145 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. УФ-областях позволяет установить вид электронных переходов и структуру молекул. Сравнительный анализ исследуемых образцов на приборе УВИспектрофотометр "СФ-2000" представлен на рисунке. Кривая 1 показывает оптические плотности раствора лекарственного препарата «Олиджим», который выбран в качестве эталона. Кривая 2 соответствует оптическим плотностям экстрактов из топинамбура, кривая 3 экстрактам веществ из кофейного напитка из топинамбура, прошедшего двухчасовую ферментацию, а кривая 4 - экстракту напитка из топинамбура, прошедшего ферментацию продолжительностью 48 ч. Рис. 1. Спектры поглощения растворов в диапазоне волн 200-400 нм Fig.1. The absorption spectra of solutions in the wavelength range 200-400 nm Из представленных на графике кривых видно, что все исследованные экстракты имеют пики поглощения в диапазоне волн 285-290 нм. При этой же длине волны дают соответствующие пики экстракты из обжаренного натурального кофе [4] и имеется пик в экстракте из сырого топинамбура, который в процессе подготовки к измерению подвергался нагреванию с водой в течение 1 ч. Наличие многочисленных пиков в спектрофотограммах исследуемых образцов показывает, что в интервале длин до 260 нм все образцы содержат практически одинаковые компоненты. В диапазонах волн после 290 нм кривые для топинамбура и обработанных образцов резко различаются. В последних появляются многочисленные пики, свидетельствующие об образовании наряду с продуктами меланоидинообразования и других компонентов, формирующих аромат и вкус кофейного напитка. 146 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. Сравнительная оценка показывает, что кривая 4 очень тесно переплетается с кривой 1, которая соответствует лекарственному препарату из розничной аптечной торговли («Олимжим»). Как было сказано ранее, цвет углеводсодержащих продуктов изменяется в результате ферментативного и неферментативного потемнения. Неферментативное изменение цвета происходит за счет реакций меланоидинообразования и карамелизиции. Пики при длине волны 285-290 нм соответствуют продуктам сахароаминных реакций [4]. Наличие подобного пика в исследованных образцах говорит в пользу того, что преобладающей в процессе приготовления кофейного напитка из топинамбура является реакция меланоидинообразования. Действие дифенолоксидазы исключается в результате добавления к измельченному материалу в процессе ферментации 40% к его массе воды, при этом контакта материала с кислородом воздуха не происходит. Продолжительность процесса влажной ферментации более эффективна в течение 48 ч (кривая 4 располагается несколько выше кривой 3), что свидетельствует о более высокой концентрации исследуемого вещества. Это можно объяснить повышением доступности инулина и продуктов его разложения в процессе ферментативного воздействия собственных энзимов топинамбура. При органолептическом анализе образец под номером 4 собрал наибольшее количество предпочтений по показателям вкуса, аромата, цвета. ВЫВОДЫ На основании проведённых исследований и оценки органолептических достоинств полученного порошкообразного заменителя кофе из топинамбура установлена целесообразность применения влажной ферментации исходного сырья продолжительностью 48 ч. Применение метода спектрофотометрии в исследовании состава исходного сырья и готового продукта позволяет получить новую информацию о микроструктуре разрабатываемого кофейного напитка. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Байдалинова, Л.С. О возможности использования растительного сырья Калининградской области для создания новых продуктов функционального назначения / Л.С. Байдалинова [и др.] // Инновационные и современные технологии пищевых производств: Международная научно-техническая конференция: материалы. – 2013. – С. 40-43 2. Неверова, О.А. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения: учебник / О.А. Неверова, Г.А. Гореликова, В.М. Позняковский. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007 – 415 с. 3. Химия пищи: в 2 т. / И.А. Рогов [и др.]. – Москва: Колос, 2000. – 384 с. 4. Использование свеклы и топинамбура в технологии сухих концентратов кофейных напитков / А.А. Чумак [и др.] // Известия вузов. Пищевая технология. – 2010. – №4. – С. 50-53. 147 Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г. STUDY OF INFLUENCE LONG DAMP FERMENTATION ON FORMATION OF KEY SUBSTANCES IN POWDER COFFEE SUBSTITUTE FROM JERUSALEM ARTICHOKE L.S. Baydalinova, V.A. Melnikova Kaliningrad State Technical University, Russia, 236022, Kaliningrad, Sovietsky prospect, 1; E-mail: baydalinova@newmail.ru The perspective of using wet fermentation of Jerusalem artichoke for production of a coffee substitute has been considered. The results of the experimental work on the measurement of the quantitative content of inulin and melanoidins products in the developed coffee substitutes are presented. а jerusalem artichoke, a sunflower tuber, a coffee substitute, the inulin fermentation spectrophotometry method 148
