Разработка технологий получения и применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора
реклама
На правах рукописи ВОЙЧЕНКО Ольга Николаевна Разработка технологий получения и применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора Специальность: 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметической продукции АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Краснодар - 2013 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бутина Елена Александровна Официальные оппоненты: Касьянов Геннадий Иванович доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии мясных и рыбных продуктов ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Щербакова Елена Владимировна доктор технических наук, доцент, профессор кафедры хранения и переработки растениеводческой продукции ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс» Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Автореферат разослан 22 ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент М.В. Филенкова 1 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1 Актуальность темы. Большинство продуктов питания, формирующих ежедневный рацион, представляют собой многокомпонентные дисперсные системы, весомую долю которых занимают пищевые эмульсии. Пищевые эмульсии являются перспективной основой для создания ассортимента продуктов питания, соответствующих физиологическим потребностям различных групп населения, а также разным потребительским предпочтениям вкуса, консистенции, энергетической ценности, ингредиентного состава и т.д. Неотъемлемым компонентом водно-жировых эмульсий являются вещества с эмульгирующими и стабилизирующими свойствами. В настоящее время ежегодное мировое производство пищевых эмульгаторов составляет более 500 000 т, при этом весомую долю сектора составляют синтетические эмульгаторы, выполняющие только технологические функции и не обладающие самостоятельной пищевой ценностью. Между тем, стремление к здоровому образу жизни обусловливает смещение потребительских предпочтений в сторону натуральных продуктов питания, не содержащих в своем составе искусственных ингредиентов. Одними из наиболее перспективных эмульгаторов-стабилизаторов, обладающих высокой физиологической ценностью, являются липопротеины растительного происхождения, представляющие собой комплексные соединения белков и фосфолипидов. Основным сырьем для получения растительных белков и фосфолипидов являются семена масличных культур. Превалирующей масличной культурой РФ является подсолнечник. В настоящее время в соответствии с Концепцией рационального природопользования разработаны и активно внедряются в производство технологии комплексной переработки семян подсолнечника, обеспечивающие получение не только физиологически ценного масла и лецитина, но и пищевого белкового шрота. Таким образом, изложенное определяет актуальность разработки технологий получения и применения белково-липидного эмульгаторастабилизатора на основе пищевого подсолнечного шрота и лецитина, получаемых по новым перспективным технологиям. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР «Разработка комплексных экологически безопасных ресурсосберегающих технологий переработки растительного и животного сырья с применением физико-химических и биотехнологических методов с целью получения БАД, парфюмерно-косметических средств и продуктов питания функционального и 2 специализированного назначения» на 2011-2015 года (шифр работы 1.2.11-15, № госрегистрации 01201152075). 1.2 Цель работы. Разработка технологий белково-липидного эмульгатора-стабилизатора получения и применения на основе пищевого подсолнечного шрота и лецитина. 1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ и систематизация научно-технической патентной информации по теме исследования; обоснование растительный белок; обоснование литературы и выбора сырьевого компонента, содержащего выбора сырьевого компонента, содержащего растительные фосфолипиды; исследование факторов, обуславливающих поведение белков и фосфолипидов подсолнечника в водных растворах цитрата натрия и хлорида натрия; исследование процесса взаимодействия белков и фосфолипидов и выявление способов его интенсификации; направленное формирование технологически-функциональных свойств получаемых липопротеиновых комплексов в составе эмульгаторастабилизатора; разработка технологии получения комплексного белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС); выработка опытной партии и оценка потребительских белково-липидного эмульгатора-стабилизатора; свойств разработка технологии применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора в производстве пищевых эмульсий прямого типа; разработка рецептур специализированного назначения; и технологии майонезных соусов выработка опытных партий и оценка потребительских свойств разработанных майонезных соусов; оценка экономической эффективности производства и применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора. 1.4 Научная новизна. Установлено, что измельчение пищевого подсолнечного шрота (ППШ), полученного из безлузгового ядра подсолнечника с использованием в качестве экстрагента этанола, при выявленных условиях 3 приводит к возрастанию содержания водо- и солерастворимых белков и повышению степени набухания белка. Установлено, что диспергирование ППШ в водном растворе цитрата натрия обусловливает частичную модификацию белковых молекул, сопровождающуюся выделением хлорогеновой кислоты. Выявлено, что в растворе цитрата натрия молекулы полярных и нейтральных липидов фосфолипидного продукта «Холин» образуют высокодисперсные микроэмульсии с преобладанием мицеллярных сферических частиц размером от 70 до 150 нм, в отличие от частиц неправильной формы, предположительно гексагональной структуры, образуемых ими в растворе хлорида натрия. Методами дифференциальной сканирующей колориметрии (ДСК) и микроскопии установлено, что введение при определенных условиях фосфолипидного продукта «Холин» в дисперсию ППШ в водном растворе цитрата натрия обусловливает образование липопротеиновых комплексов, обладающих высокой термостабильностью и однородной упорядоченной структурой. Показано, что варьирование соотношения ППШ и фосфолипидного продукта «Холин» приводит к образованию липопротеиновых комплексов различной структуры, что обусловливает превалирование гидрофильных или гидрофобных свойств и выражается в изменении их технологически функциональных свойств, таких, как влагоудерживающая способность (ВУС), жироудерживающая способность (ЖУС) и жироэмульгирующая способность (ЖЭС). Установлено, что предварительное диспергирование БЛЭС в водной фазе при выявленных режимах обеспечивает получение эмульсий прямого типа характеризующихся требуемыми динамической вязкостью и стойкостью. 1.5 Практическая значимость. Разработана технология получения нового комплексного белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС), обладающего собственной пищевой ценностью и высокими технологически функциональными свойствами. Разработана технология применения БЛЭС в производстве эмульсионных продуктов на примере майонезных соусов функционального и специализированного назначения. Разработаны рецептуры майонезных соусов с использованием БЛЭС в качестве технологически и физиологически функциональной добавки. На производство БЛЭС и соусов майонезных разработаны комплекты технической документации, включающие технические условия ТУ 9146 -364-02067862-2013 «Эмульгатор-стабилизатор «БЛЭС», ТУ 9143-359-02067862-2013 «Соус майонезный «Блэс», и ТУ 9143-360- 4 02067862-2013 «Соус майонезный «Блэс-Витаминный», а также технологические инструкции (ТИ 9146-080-02067862-2013, ТИ 9143-07802067862-2013, ТИ 9143-079-02067862-2013). 1.6 Реализация результатов исследования. Разработанные технология получения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора, а также технология его применения в производстве майонезных соусов функционального и специализированного назначения испытаны в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» ФГБОУ ВПО КубГТУ. Технология получения белково-липидного эмульгаторастабилизатора, а также рецептуры и технология майонезных соусов с его использованием приняты к внедрению на ООО «Региональный пищекомбинат» в III квартале 2014 года. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит более 47000 рублей на 1 т БЛЭС и более 23000 рублей на 1 т майонезных соусов. 1.7 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Международной научно-практической конференции «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии», КНИИХП РАСХН, г.Краснодар, март 2010 г.; Международной научнопрактической конференции ресурсосберегающих «Инновационные технологий пути производства в и разработке переработки сельскохозяйственной продукции», г. Волгоград, июнь 2010 г.; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Кадровое обеспечение развития инновационной деятельности в России», г. Ершово, октябрь 2010 г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты», КНИИХП РАСХН, г. Краснодар, май 2012 г.; VII Международной конференции «Масложировой комплекс России: новые аспекты развития», Москва, Международная промышленная академия, май 2012 г.; I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности», КубГТУ, г. Краснодар, ноябрь 2012 г.; VI Международной конференции «Перспективы развития масложировой отрасли: технологии и рынок», Украина, г. Алушта, май 2013 г.; XIII Международной научно-практической конференции «Масложировая индустрия2013», Санкт-Петербург, октябрь 2013 г. 5 1.8 Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, получен 1 патент РФ на изобретение. 1.9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора отечественной и зарубежной литературы, методической части, экспериментальной части, содержащей 7 разделов и 4 подраздела, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу, 25 рисунков. Список литературы состоит из 128 наименований, из них 12 на иностранных языках. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований использовали современные методы физико-химического анализа: ИК-, УФспектроскопию, фотоколориметрию, инверсионную вольтамперометрию, тонкослойную, газожидкостную и высокоэффективную жидкостную хроматографии. Поведение белков и фосфолипидов, а также их взаимодействие с образованием липопротеиновых комплексов в водных растворах солей изучали методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с использованием современного прибора NETZCH Maia 200, дисперсионного анализа с использованием лазерного анализатора частиц серии Zetasizer Nano S, в диапазоне от 0,6 нм до 10 мкм, а также методом микроскопии. Основные технологически-функциональные свойства определяли по стандартным методикам, рекомендованным в пищевой промышленности. Оценку результатов экспериментов проводили с использованием современных методов расчета статической достоверности с использованием программ Statistica 6.0, Microsoft Office Excel 2007 и Mathcad. Все исследования проводились на оборудовании ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет». Структурная схема исследования представлена на рисунке 1. 2.2 Обоснование выбора сырьевого компонента, содержащего растительный белок. Основным сырьем для получения растительного белка является шрот масличных культур, из которых в России превалирует подсолнечник. Инновационный подход к переработке семян подсолнечника включает получение безлузгового ядра и комплексную переработку последнего с получением физиологически ценного масла, лецитина и пищевого шрота. В настоящее время такой подход реализован применительно к кондитерским 6 Анализ и систематизация научно-технической литературы и патентной информации по теме исследования Обоснование выбора сырьевых компонентов Исследование показателей качества и безопас-ности пищевых подсолнечных шротов, получаемых по новым технологиям Исследование показателей качества и безопасности подсолнечных лецитинов отечественного производства Исследование факторов, обуславливающих поведение белков и фосфолипидов подсолнечника в водных растворах цитрата натрия и хлорида натрия Исследование процесса взаимодействия белков и фосфолипидов подсолнечника и выявление способов его интенсификации Направленное формирование технологически функциональных свойств получаемых липопротеиновых комплексов в составе эмульгатора-стабилизатора Разработка технологии получения комплексного белково-липидного эмульгатора-стабилизатора Выработка опытной партии и оценка потребительских свойств белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС) Разработка технологии применения белково-липидного эмульгаторастабилизатора в производстве пищевых эмульсий прямого типа Разработка рецептур и технологии майонезных соусов специализированного назначения Выработка опытных партий и оценка потребительских свойств разработанных майонезных соусов Оценка экономической эффективности производства и применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора Рисунок 1 – Структурная схема исследования 7 сортам подсолнечника, при этом переработка ядра осуществляется по традиционной схеме, включающей форпрессование и последующую экстракцию нефрасом или по инновационной технологии, предусматривающей кондиционирование ядра по влажности, лепесткование и прямую экстракцию полученного лепестка этиловым спиртом. УкрНИИЖ Совместно со специалистами в рамках договора о сотрудничестве инновационная технология прямой экстракции безлузгового ядра подсолнечника этиловым спиртом была адаптирована применительно к семенам подсолнечника отечественной селекции сортов «СПК» и «Лакомка». На пищевой подсолнечный шрот, получаемый из безлузгового ядра подсолнечника по этой технологии, был разработан комплект технической документации, включающий ТУ и ТИ. В целях проведения сравнительной оценки показателей качества и безопасности белковых продуктов в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» были выработаны образцы шротов из безлузгового ядра, выделенного из производственной смеси семян подсолнечника сортов «СПК» и «Лакомка», по инновационной технологии прямой экстракции этанолом и технологии, включающей форпрессование и экстракцию нефрасом. Установлено, что по показателям безопасности оба исследуемых шрота соответствуют требованиям ТР ТС 021/2011. Результаты исследования аминокислотного состава белка пищевых подсолнечных шротов в сравнении с идеальным белком представлены на рисунке 2, а результаты исследования их показателей качества в таблице 1. Рисунок 2 - Аминокислотный состав белка : - содержание аминокислот в «идеальном» белке, г/100 г белка - содержание аминокислот в белке подсолнечных шротов, г/100 г белка 8 Таблица 1 – Показатели качества пищевого подсолнечного шрота Наименование показателя Цвет Запах и вкус Внешний вид Характеристика и значение показателя Шрот подсолнечный пищевой Прямая Форпрессование, экстракция экстракция этиловым нефрасом спиртом Требования ТУ 9146-23502067862-2012 «Шрот подсолнечный пищевой» Бежевый Белый с кремовым оттенком Белый с кремовым оттенком Запах свойственный подсолнечному шроту, вкус свойственный семенам подсолнечника Обезличенный с легким травянистым оттенком, свойственным семенам подсолнечника Обезличенный с легким травянистым оттенком, свойственным семенам подсолнечника Сыпучая масса Сыпучая масса Массовая доля влаги и летучих веществ, % 6,10 6,25 От 6,0 до 8,0 Массовая доля в пересчете на абсолютно сухое вещество, %: золы, нерастворимой в соляной кислоте 0,74 0,70 Не более 0,8 сырого протеина 48,80 52,3 Не менее 44,0 1,0 1,2 Не более 1,5 5,3 1,4 Не более 2,0 4,50 4,70 Не более 7,0 79,2 82,5 Не нормируется 0,04 0,08 Не более 0,1 сырого жира хлорогеновой кислоты сырой клетчатки Массовая доля водои солерастворимых протеинов к общему содержанию протеина, % Остаточное содержание растворителя, % Данные, представленные на рисунке 2, свидетельствуют о том, что белок исследуемых подсолнечных шротов, хотя и уступает по биологической 9 ценности идеальному белку, однако включает все незаменимые аминокислоты, что определяет возможность использования пищевых подсолнечных шротов в качестве альтернативного продуктов. источника белка при производстве пищевых Как видно из данных, представленных в таблице 2, оба вида подсолнечного шрота удовлетворяют требованиям ТУ 9146-235-02067862-2012 к физико-химических показателям. Однако, шрот, полученный по технологии прямой экстракции этиловым спиртом, по сравнению со шротом, полученным по технологии форпрессования и экстракции нефрасом, характеризуется лучшими органолептическими показателями, большим содержанием сырого протеина, а также его водо- и солерастворимой фракций и меньшим содержанием хлорогеновой кислоты. Кроме того, использование в качестве экстрагента этилового спирта обусловливает отсутствие в конечном продукте остаточных количеств непищевого растворителя нефраса, что снимает ограничения по применению такого продукта в пищевых технологиях. Учитывая изложенное, в качестве сырьевого компонента, содержащего растительный белок, для получения белково-липидного эмульгатора стабилизатора был выбран пищевой подсолнечный шрот (ППШ), полученный по технологии прямой экстракции этиловым спиртом. 2.3 Обоснование выбора сырьевого компонента, содержащего растительные фосфолипиды. На основании ряда научных данных, фосфолипиды по возрастанию активности взаимодействия с белками можно расположить в ряд: фосфатидные кислоты, фосфатидилинозитолы, фосфатидилсерины, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилхолины. Учитывая это, в качестве сырьевого компонента, содержащего фосфолипиды, при получении липопротеиновых фракционированный лецитин комплексов с целесообразно преобладанием использовать фосфатидилхолинов. Из ассортимента лецитинов, представленных на отечественном рынке, был выбран фосфолипидный продукт «Холин», представляющий собой спирторастворимую фракцию жидкого подсолнечного лецитина. Показатели качества фосфолипидного продукта «Холин» представлены в таблице 2. 10 Таблица 2 - Показатели качества фосфолипидного продукта «Холин» Наименование показателя Запах Значение показателя Фосфолипидный продукт «Холин» Невыраженный, свойственный фосфолипидам Цвет Светло-коричневый Вкус Невыраженный, свойственный фосфолипидам Цветное число 10%-ного раствора в толуоле, мг йода Массовая доля, %: влаги и летучих веществ веществ, нерастворимых в ацетоне веществ, нерастворимых в толуоле Кислотное число, мг КОН/г Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг Вязкость при t=25оС, Па∙с Показано, что по Требования ГОСТ Р 53970-2010 Характерный для сырья из которого получен. Не допускается затхлый, кислый или какой-либо другой запах, в том числе запах ацетона От светло-желтого до темно-коричневого Характерный для сырья из которого получен. Не допускается прогорклый, кислый или какой-либо другой посторонний привкус 50 Не нормируется 0,8 Не более 1,0 71,1 Не менее 60,0 0,10 Не более 0,30 10,6 Не более 36,0 2,3 8,3 Не более 10,0 Не нормируется показателям качества исследуемый образец фосфолипидного продукта «Холин» соответствуют требованиям ГОСТ Р 539702010. В таблице 3 представлены результаты исследования группового состава фосфолипидного продукта «Холин» в сравнении с групповым составом яичного лецитина, который в комплексе с белком куриного яйца является одним из лучших натуральных эмульгаторов-стабилизаторов прямого типа. Из данных таблицы 3 видно, что по содержанию основных групп фосфолипидов, наиболее активно взаимодействующих с белками, фосфолипидный продукт «Холин» приближается к яичному лецитину. Это 11 Таблица 3 – Групповой состав фосфолипидного продукта «Холин» и лецитина яичного желтка Содержание группы, % к сумме фосфолипидов Наименование Фосфолипидный группы Лецитин яичного продукт желтка «Холин» Фосфатидилхолины 69 50 Фосфатидилэтаноламины 22 23 Фосфатидилинозитолы - 13 Фосфатидилсерины 3 1 Фосфатидилглицерины 3 10 Фосфатидные кислоты 3 3 и полифосфатидные подтверждает правомерность выбора фосфолипидного продукта «Холин» в качестве сырьевого компонента для получения эмульгатора-стабилизатора на основе липопротеиновых космплексов. 2.4 Исследование факторов, обусловливающих поведение белков ППШ в водных растворах хлорида натрия и цитрата натрия. Известно, что образование липопротеинов происходит в присутствии влаги и интенсифицируется с возрастанием температуры. При этом необходимым условием повышения реакционной способности белковых молекул является разворачивание в спираль плотноупакованных белковых глобул. Учитывая это, разрабатывали способ подготовки ППШ к взаимодействию с фосфолипидами. Руководствуясь работами В.Н. Красильникова и Е.А.Литвиненко, ППШ измельчали на лабораторной мельнице до размера частиц 0,35 мм в течение 20 минут (проход через сито диаметром 0,355 мм не менее 95%) Как показали наши исследования, такая обработка приводит к возрастанию содержания водо- и солерастворимых белков на 20% и повышению степени набухания белка на 35%. Это, вероятно, связано с разукрупнением белковых частиц в результате разрыва межмолекулярных связей, предположительно дисульфидных мостиков и водородных связей. Согласно имеющимся литературным данным, образование липопротеинов при взаимодействии белков и фосфолипидов обусловлено гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. При этом, эффективность их взаимодействия находится в симбатной зависимости от степени диссоциации белковых молекул на субъединицы и степени развертывания их глобулярной структуры. 12 Исходя из этого, изучали влияние реагентов на диспергируемость белка ППШ в водных средах. Кроме того, принимая во внимание актуальность снижения содержания в ППШ хлорогеновой кислоты, образующей комплексные соединения с белковыми молекулами, исследовали влияние реагентов на ее экстрагируемость из ППШ. В качестве реагентов использовали водные растворы хлорида натрия и цитрата натрия, соотношение «раствор соли : ППШ» составляло 10:1, температура 25оС, смешение проводили в лабораторном диспергаторе Polytron при частоте вращения ротора 100 с-1. Результаты исследований представлены на рисунках 3 и 4. 2 1 Рисунок 3 – Влияние массовой доли соли на коэффициент диспергируемости белка (КДБ) ППШ: 1- раствор цитрата натрия; 2- раствор хлорида натрия Концентрация водного раствора соли, % 2 1 Рисунок 4 – Влияние массовой доли соли на содержание хлорогеновой кислоты в ППШ: 1- раствор цитрата натрия; 2 -раствор хлорида натрия Концентрация водного раствора соли, % Согласно данным рисунка 3, диспергируемость белка ППШ в водном растворе хлорида натрия несколько выше, чем в растворе цитрата натрия. Однако, цитрат натрия лучше экстрагирует хлорогеновую кислоту (рисунок 4), что, по-видимому, связано с большим модифицирующем влиянием цитрата натрия на молекулы белка, приводящим к разрушению межмолекулярных водородных связей, в том числе с хлорогеновой кислотой. На основании полученных результатов в качестве водной среды для диспергирования ППШ предложено использовать в 4%-ный раствор цитрата натрия, при этом КДБ составит 34 %, а остаточное содержание хлорогеновой кислоты не более 17% от его исходного содержания в ППШ. 13 2.5 Исследование влияния среды на поведение фосфолипидов. Известно, что эффективность взаимодействия молекул белка и фосфолипидов в водных средах, во многом зависит от поверхностной активности фосфолипидных молекул, которая, в свою очередь, определяет вид образуемых ими мицелл и зависит от характеристик водной среды. Исследованиями ученых ФГБОУ ВПО КубГТУ было показано, что в водных средах фракционированные жидкие лецитины с преобладанием фосфатидилхолинов образуют микроэмульсии, состоящие из мицелл разных порядков. В связи с этим изучали дисперсность микроэмульсий, образуемых фосфолипидным продуктом «Холин», в водных растворах цитрата натрия и хлорида натрия с массовой долей 4%. Концентрация фосфолипидного продукта «Холин» в водной среде составляла 1%. Диспергирование осуществляли в лабораторном диспергаторе Polytron, обеспечивающем частоту вращения ротора 100 с-1 при температуре 25оС. Результаты исследований представлены на рисунках 5 и 6. Количество частиц, % 30 Рисунок 5 - Распределение по размерам частиц микроэмульсии, образуемой при диспергировании фосфолипидного продукта Холин с хлоридом натрия 20 10 0 Количество частиц, % 1 10 100 1000 Размер частиц, nm 10000 Рисунок 6 - Распределение по размерам частиц микроэмульсии, образуемой при диспергировании фосфолипидного продукта Холин с цитратом натрия 40 30 20 10 0 1 10 100 1000 Размер частиц, nm 10000 Показано, что в растворе цитрата натрия молекулы полярных и нейтральных липидов фосфолипидного продукта «Холин» образуют высокодисперсные микроэмульсии с преобладанием частиц размером от 70 до 150 нм. При этом микроскопированием установлено преобладание в растворе цитрата натрия мицеллярных сферических частиц, образуемых молекулами фосфолипидов и нейтральных липидов, в отличие от неправильной, предположительно гексагональной, структуры частиц в растворе хлорида 14 натрия. Это свидетельствует о проявлении большей поверхностной активности молекул фосфолипидов в растворе цитрата натрия и предполагает образование везикул с водным ядром, экранированным бимолекулярным фосфолипидных молекул, содержащим нейтральные липиды. слоем 2.6 Исследование процесса взаимодействия белков ППШ и фосфолипидов. Процесс взаимодействия белков ППШ и фосфолипидов фосфолипидного продукта «Холин» осуществляли в лабораторном реакторе «Micro-Plant» на базе универсальной установки «IKA MagicLab» путем обработки их дисперсии в 4% водном растворе цитрата натрия (соотношение ППШ : раствор цитрата натрия - 1:10) в диспергаторе «6F», позволяющем обеспечить особо тонкое диспергирование при скорости вращения ротора170с-1. Соотношение фосфолипидный продукт «Холин» : ППШ было выбрано, исходя из соотношения «фосфолипиды : белок» в составе яичного желтка, и составляло 1,0 : 1,3, температура составляла 25оС, время диспергирования 10 мин. После окончания диспергирования систему разделяли на центрифуге при факторе разделения 2500 в течение 10 мин, после чего декантировали жидкую фазу и анализировали осадок. Наличие взаимодействия между молекулами белка ППШ и молекулами фосфолипидов «Холина» регистрировали, используя метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). 6 9 5 8 7 6 ДСК/(мВт/мг) ДСК/(мВт/мг) Результаты исследования представлены на рисунке 7. В качестве контроля представлены кривые ДСК дисперсий ППШ без введения фосфолипидного продукта «Холин». 4 3 2 4 3 2 1 1 0 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Температура, 0С а 20 40 60 80 100 120 140 160 Температура, 0С б Рисунок 7 – Кривые ДСК (скорость сканирования 5оС/мин.): а - система «раствор цитрата натрия – ППШ»; б - система «раствор цитрата натрия – ППШ – фосфолипидный продукт «Холин» 15 Показано (рисунок 7а), что в системе «раствор цитрата натрия – ППШ» процесс денатурации (разворачивания) белковых молекул происходит с выделением тепла в две стадии: обратимой в диапазоне температур 20-60оС и необратимой в диапазоне температур 90-110оС. Наличие экзотермического пика при 72оС, свидетельствует о протекании в диапазоне температур 60-90оС, наряду с процессами денатурации, агрегационных процессов и процессов химического взаимодействия, возможно, между молекулами белка и углеводов, приводящих к образованию сложных меланоидиновых соединений. Введение в систему фосфолипидов обусловливает увеличение термической стойкости белков (рисунок 7б). Отсутствие рисунке 7б эндотермического можно пика рассматривать, обратимой как денатурации свидетельство на образования липопротеиновых комплексов и отсутствия в системе глобулярных структур. Комплексный характер эндотермического пика в диапазоне температур 106-123оС свидетельствует о протекании сложных химических превращений, сопровождающих необратимую денатурацию липопротеиновых комплексов. Полученные данные также позволяют сделать вывод о том, что процесс взаимодействия белков и фосфолипидов подсолнечника, приводящий к образованию липопротеиновых комплексов, целесообразно осуществлять при температуре 45-50оС, когда молекулы белка находятся в развернутом состоянии. Результаты микроскопирования исследуемых систем, показали, что в результате взаимодействия ППШ и фосфолипидного продукта «Холин» система приобретает структурную однородность, что характерно для липопротеиновых комплексов. 2.7 Направленное формирование функционально-технологических свойств получаемых липопротеиновых комплексов в составе эмульгаторастабилизатора. На данном этапе исследований обосновывали эффективные соотношения ППШ:фосфолипидный продукт «Холин» и режимы процесса образования соотношения липопротеиновых комплексов. ППШ:фосфолипидный продукт Для выбора «Холин» эффективного стабилизировали параметры процесса: время диспергирования - 10 мин., температура в реакторе – 45 0 C, отделение липопротеиновых комплексов на центрифуге, обеспечивающей фактор разделения 2500 в течение 10 минут с последующей распылительной сушкой отделенной суспензии. 16 Соотношение ППШ : фосфолипидный продукт «Холин» варьировали в пределах от 9:1 до 1:9. В качестве контроля использовали дисперсию ППШ без введения фосфолипидного продукта «Холин». Полученные продукты подвергали комплексной оценке, анализируя основные технологические показатели, характерные для эмульгаторов и стабилизаторов: жироудерживающую способность (ЖУС), водоудерживающую способность (ВУС) и жироэмульгирующую способность (ЖЭС). Результаты исследования представлены на рисунке 8. 100 3 ЖЭС, % 98 1 96 2 94 92 90 100 0 85 15 70 30 50 30 50 70 15 85 Рисунок 8 – Влияние соотношение ППШ : Холин на основные технологически функциональные свойства: 1 – ВУС; 2 – ЖУС; 3 – ЖЭС ППШ, % Холин, % Показано, что зависимости ЖУС и ВУС от соотношения ППШ : фосфолипидный продукт «Холин» носят экстремальный характер. Это, вероятно, связано с образованием липопротеиновых комплексов различной структуры, обусловливающей превалирование гидрофильных или гидрофобных свойств. Величина ЖЭС экспотенциально возрастает с увеличением содержания фосфолипидного продукта «Холин» в системе. Учитывая, что эффективный эмульгатор-стабилизатор при высокой ЖЭС должен обладать сбалансированными ВУС и ЖУС, было выбрано соотношение ППШ : фосфолипидный продукт «Холин», составляющее 5:1. Известно, что наиболее значимыми факторами, обусловливающими эффективность процесса образования липопротеиновых комплексов, являются температура и длительность взаимодействия белков и фосфолипидов. Учитывая это, определяли эффективные режимы процесса, обусловливающие достижение желаемых технологически функциональных свойств. Эксперимент осуществляли, как было описано ранее в лабораторном реакторе «Micro-Plant» с использованием диспергатора «6F». Температуру варьировали в интервале от 20 17 до 70оС, время процесса от 5 до 30 минут, при этом соотношение фосфолипидный продукт «Холин» было постоянным и составляло 5:1. ППШ : В качестве функции отклика использовали величину показателей технологически функциональных свойств: ВУС, ЖУС и ЖЭС. В результате математической обработки экспериментальных данных получены регрессионные уравнения зависимости ВУС, ЖУС и ЖЭС от температуры и времени процесса ВУС = 20,6139+10,8619 t+19,4933 τ - 0,1118 t2-0,0043 t τ-0,4097 τ2 (1) ЖУС = -81,7242+13,8588 t+19,6217 τ-0,1431 t2-0,0046t τ-0,3756 τ2 (2) ЖЭС = 13,7382+1,7781 t+4,4207 τ-0,0154 t2-0,0195 t τ-0,088 τ2 (3) где t – температура процесса; τ – время процесса. В связи с тем, что определенные по уравнениям (1)-(3) максимальные значения показателей технологически функциональных свойств достигаются при различных технологических режимах, руководствуясь желательной величиной показателя был выбран следующий диапазон значений факторов: время – 20-23 мин., температура – 44-48оС. Рассчитанные при указанных режимах значения показателей технологически функциональных свойств составят: ЖЭС – 97-98%; ЖУС – 490-500%; ВУС – 504-511%. 2.8 Разработка технологии получения комплексного белковолипидного эмульгатора-стабилизатора. На основании проведенных исследований была разработана технология получения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС). Структурная схема процесса приведена на рисунке 9, а технологические режимы приведены в таблице 4. Таблица 4 - Технологические режимы получения БЛЭС Наименование технологической операции 1 Измельчение ППШ: время процесса, мин степень измельчения (проход через сито ø 0,1мм), % 2 Диспергирование: соотношение ППШ : цитрат натрия соотношение ППШ: фосфолипидный продукт «Холин» температура процесса, 0С частота вращения ротора, с-1 продолжительность, мин 3 Центрифугирование: температура процесса, 0С фактор разделения время процесса, мин 4 Распылительная сушка: температура, 0С Значение режима 10 90 1:10 5:1 44-48 170 20-23 48 2500 10 80 18 ППШ Фосфолипидный продукт «Холин» Раствор цитрата натрия Водная фаза Измельчение Измельченный ППШ Диспергирование Дисперсия белковолипидного комплекса Центрифугирование БЛЭС На утилизацию или концентрирование Распылительная сушка БЛЭС Инспекция БЛЭС Фасовка БЛЭС на реализацию Рисунок 9 – Структурная схема получения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС) 2.9 Выработка опытной партии и оценка потребительских белково-липидного эмульгатора-стабилизатора. свойств На пилотной установке в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» была выработана опытная партия белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС). Оценку потребительских свойств БЛЭС проводили непосредственно после получения, а также в процессе хранения при температуре 20+2оС и относительной влажности воздуха не более 75 %. Результаты исследования представлены в таблице 5. Анализ данных таблицы 5 показывает, что БЛЭС, полученный по разработанной технологии, характеризуется высокими показателями качества и технологически функциональными свойствами. Установлено, что по показателям безопасности БЛЭС, как свежеполученный, так и после хранения в течение 12 месяцев соответствуют требованиям ТР ТС 021/2011. На белково-липидный эмульгатор-стабилизатор БЛЭС, а также на технологию его получения разработан комплект технической документации, включающей технические условия и технологическую инструкцию. 19 2.10 Разработка технологии применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора в производстве пищевых эмульсий прямого типа. Актуальными технологическими проблемами применения эмульгаторов – стабилизаторов в пищевых эмульсиях является выбор способа их предварительного распределения в водной или масляной фазе; температурные Таблица 5 – Показатели качества БЛЭС Наименование показателя Цвет Запах и вкус Внешний вид Массовая доля влаги и летучих веществ, % Массовая доля, % на а.с.в.: золы сырого протеина сырого жира моно- и дисахаридов (растворимых углеводов) хлорогеновой кислоты фосфора Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг: свежеполученный после хранения в течение 12 месяцев Влагоудерживающая способность (ВУС), % Жироудерживающая способность (ЖУС), % Жироэмульгирующая способность (ЖЭС), % Характеристика и значение показателя Светло-кремовый Обезличенные Мелкодисперсный порошок 4,5 0,69 42,8 5,7 1,08 0,10 0,46 1,5 1,9 508 492 98 режимы и минимальное количество эмульгатора-стабилизатора, обеспечивающее получение стабильной эмульсии. Учитывая это, разработку технологии применения БЛЭС при производстве пищевых эмульсий осуществляли путем исследования модельных эмульсий с соотношением водной и жировой фаз 50:50, введением БЛЭС в количестве 5% к массе эмульсии, варьируя способ предварительного диспергирования БЛЭС (в водной или масляной фазе) и температурные режимы. Установлено, что предварительное диспергирование БЛЭС в водной фазе в течение 5-10 минут при частоте вращения ротора 100 с-1 и температуре 40-45оС обеспечивает получение эмульсий, характеризующихся требуемой динамической вязкостью и стойкостью эмульсии 100%. 20 Установлено, что последующая пастеризация дисперсии БЛЭС в водной фазе при температуре 85 оС в течение 30 минут не оказывает существенного влияния на характеристики получаемых модельных эмульсий, что подтверждает достаточно высокую термостабильность БЛЭС. Результаты определения оптимального количества БЛЭС в зависимости от Стойкость эмульсии, % соотношения водной и жировой фаз представлены на рисунке 10. Рисунок 10 – Зависимость стойкости модельных эмульсий от массовых долей масла и БЛЭС Z = 49,9268+0,9737х+1,515y-0,0048x2-0,0156xy-0,00853y2 где (4) Z – стойкость эмульсии, %; X – массовая доля масла, %; Y – массовая доля БЛЭС, % к массе масла. Показано, что для обеспечения стойкости эмульсии не менее 99% количество БЛЭС должно составлять не менее 18 % к массе масляной фазы. 2.11 Разработка функционального и рецептур и технологии специализированного майонезных назначения. На соусов основании проведенных исследований с учетом требований, предъявляемых к продуктам диетического профилактического питания, были разработаны рецептуры майонезных соусов «Блэс» и «Блэс-Витаминный» специализированного назначения (таблица 6). Оценка показателей качества разработанных майонезных соусов показала, что они характеризуются приятными мягкими вкусом и запахом, а также характерными для майонезной продукции консистенцией и внешним видом. Показатели качества майонезных соусов соответствуют требованиям ГОСТ 31761-2012, а показатели безопасности – требованиям ТР ТС 021/2011. 21 Таблица 6 – Рецептуры майонезных соусов Наименование ингредиента Содержание ингредиента, % «Блэс» «Блэс -Витаминный» Масло рафинированное дезодорированное в том числе: - подсолнечное - рапсовое БЛЭС Ароматизатор горчицы (Горчица 1135) Ароматизатор молока (Сливки 1126) Соль морская Сахар-песок Уксусная кислота 80%-ная Лимонный сок β-каротин (E160a (ii) ) α-токоферол (Е307) Вода Установлено, что показатели 67,0 30,1 36,9 8,5 0,05 0,05 1,3 1,5 отсутствие 0,9 20,7 качества и 67,0 20,1 46,9 8,5 0,05 0,05 1,3 1,5 0,3 0,5 0,005 0,015 20,78 безопасности остаются стабильными при хранении майонезных соусов, расфасованных в стаканчики из полипропилена объемом 250мл, при температуре 5оС и относительной влажности воздуха не более 75% в течение 2 месяцев. На основании проведенных исследований разработан комплект технической документации на новые виды майонезных соусов, включающий технические условия, рецептуры и технологические инструкции. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных рецептур содержащих в своем составе натуральный комплексный белково-липидный эмульгатор-стабилизатор, составит 23 тысячи рублей на каждые 1000 кг готового продукта. ВЫВОДЫ На основании проведенных исследований разработаны технологии получения и применения белково-липидного эмульгатора-стабилизатора на основе пищевого подсолнечного шрота и фосфолипидного продукта «Холин» (подсолнечный лецитин), а также рецептуры майонезных соусов специализированного назначения. 1. Анализ научно-технической литературы и патентной информации по теме исследования показал, что одними из наиболее перспективных эмульгаторов-стабилизаторов, обладающих высокой физиологической 22 ценностью, являются липопротеины растительного происхождения, представляющие собой комплексные соединения белков и фосфолипидов. 2. На основании результатов сравнительного исследования показателей качества, безопасности и биологической ценности пищевых подсолнечных шротов в качестве сырьевого компонента, содержащего растительный белок, для получения белково-липидного эмульгатора стабилизатора был выбран пищевой подсолнечный шрот (ППШ), полученный по технологии прямой экстракции этиловым спиртом. 3. Из ассортимента лецитинов, представленных на отечественном рынке, в качестве сырьевого компонента, содержащего фосфолипиды, для получении липопротеиновых комплексов, был выбран фосфолипидный продукт «Холин», представляющий собой спирторастворимую фракцию жидкого подсолнечного лецитина, в котором содержание основных групп фосфолипидов, наиболее активно взаимодействующих с белками, приближено к яичному лецитину. 4. В результате исследования факторов, обуславливающих поведение белков и фосфолипидов подсолнечника в водных растворах цитрата натрия и хлорида натрия, показано, что использование 4%-ного водного раствор цитрата натрия для диспергирования предварительно измельченного до размеров частиц 0,35 мм ППШ и фосфолипидного продукта «Холин» позволяет наиболее эффективно подготовить их к дальнейшему взаимодействию. 5. В результате исследования процесса взаимодействия белков и фосфолипидов с использованием методов ДСК и микроскопии установлено, что в растворах цитрата натрия они образуют липопротеиновые комплексы, при этом температура должна составлять 45-50оС, что обеспечивает наиболее благоприятную для взаимодействия с фосфолипидами конформацию молекул белка. 6. Выявлены условия, обеспечивающие формирование высоких технологически функциональных свойств получаемого белково-липидного эмульгатора-стабилизатора: соотношение ППШ:фосфолипидный продукт «Холин» - 5:1; время взаимодействия – 20-23 мин., температура взаимодействия – 44-48оС. Рассчитанные по полученным уравнениям регрессии значения показателей технологически функциональных свойств при указанных режимах составят: ЖЭС – 97-98%; ЖУС – 490-500%; ВУС – 504-511%. 7. Разработана технология получения комплексного белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС). 8. На пилотной установке в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» по разработанной технологии выработана 23 опытная партия белково-липидного эмульгатора-стабилизатора (БЛЭС). Установлено, что БЛЭС, как свежеполученный, так и после хранения в течение 12 месяцев при температуре 20+2оС и относительной влажности воздуха не более 75 % по показателя безопасности соответствуют требованиям ТР ТС 021/2011, характеризуется высокими показателями качества и технологически функциональными свойствами. На БЛЭС разработан комплект технической документации, включающей технические условия и технологическую инструкцию. 9. Разработана технология применения БЛЭС в производстве пищевых эмульсий прямого типа, включающая предварительное диспергирование БЛЭС, взятого в количестве не менее 18% к массе масляной фазы, в водной фазе в течение 5-10 минут, при частоте вращения ротора 100 с-1и температуре 40-45оС. 10. Разработаны рецептуры и технологии майонезных соусов специализированного назначения «Блэс» и «Блэс-Витаминный». 11. На пилотной установке в условиях ЦКП «Исследовательский центр пищевых и химических технологий» выработаны опытные партии майонезных соусов «Блэс» и «Блэс-Витаминный». Установлено, что майонезные соусы, как свежеполученные, так и после хранения в течение 2 месяцев при температуре 5+2оС и относительной влажности воздуха не более 75 % соответствуют требованиям ГОСТ 31761-2012 и ТР ТС 021/2011, характеризуются приятными мягкими вкусом и запахом, а также типичными для майонезной продукции консистенцией и внешним видом. На майонезные соусы «Блэс» и «БлэсВитаминный» разработаны комплекты технической документации, включающей технические условия и технологические инструкции. 12. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит более 47000 рублей на 1 т БЛЭС и более 23000 рублей на 1 т майонезных соусов. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Войченко О.Н. Биологически активные добавки комплексного назначения в составе функциональных пищевых продуктов / О.Н. Войченко, Е.А. Бутина, В.Г Попов, Ад. А. Шаззо // Журнал Новые технологии, 2010.-№1, с.16-22. 2. Войченко О.Н. Исследование технологически функциональных свойств подсолнечных фракционированных лецитинов / О.Н. Войченко, Е.А.. Бутина, Е.О. Герасименко, Д.Ю. Кашкара, Е.П. Корнена// Журнал Новые технологии, 2010.-№3, с. 22-25. 3. Войченко О.Н. Функциональное и специализированное питание. Научные проблемы и инновационные решения / О.Н. Войченко, Е.П. Корнена, Е.А. Бутина, Е.О. Герасименко, В.В. Кузнецова // Журнал Новые технологии, 2011. - №2, с. 26-30. 24 4. Войченко О.Н. Оценка продуктов переработки семян подсолнечника как альтернативных источников пищевого белка / О.Н. Войченко, А.А. Стрыженок, О.С. Воронцова, Е.А. Бутина // Известия вузов. Пищевая технология, 2013.- №4, с. 88-90. 5. Патент 2436404 Российская Федерация, МПК А23D9/00 (2006.01). Способ получения масложирового фосфолипидного продукта [Текст] // Корнена Е.П., Герасименко Е.О., Бутина Е.А., Войченко О.Н. и др.; заявитель и патентообладатель ООО НПП «Аверс» № 2010115851/13 заявл. 22.04.2010, опубл. 20.12.2011. 6. Войченко О.Н., Бутина Е.А., Ганжура А.Н. Применение фракционированных лецитинов в технологиях пищевых эмульсий // Международная научно- практическая конференция «Инновационные пути в разработке ресурсосберегающих технологий производства и переработки сельскохозяйственной продукции», г. Волгоград, 17-18 июня 2010 г. 7. Войченко О.Н. Технология введения фосфолипидного продукта «Холин» в эмульсии прямого типа/ О.Н. Войченко, Е.А. Бутина, Е.П. Корнена, С.А. Ильинова // Международная научно-практическая конференция «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии». г. Краснодар, КНИИХП РАСХН, 11-12 марта 2010 г. 8. Войченко О.Н., Пащенко В.Н., Шабанова И.А. Организация производства конкурентоспособного отечественного жидкого лецитина // Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Кадровое обеспечение развития инновационной деятельности в России», г. Ершово, 26-29 октября 2010 г. 9. Войченко О.Н. Создание и стабилизация пищевых дисперсных систем/ О.Н. Войченко, Э.И. Шумская, И.А. Дубровская, Е.А. Бутина // Международная научнопрактическая конференция «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты», г. Краснодар, КНИИХП РАСХН, 24-25 мая 2012 г. 10. Войченко О.Н. Создание жировых продуктов повышенной физиологической ценности/ О.Н. Войченко, Е.А. Бутина, О.С. Воронцова, И.А. Дубровская, Е.П. Спильник // VII Международная конференция «Масложировой комплекс России: новые аспекты развития», г. Москва, Международная промышленная академия, 28 – 30 мая 2012 г. 11. Войченко О.Н., Воронцова О.С., Бутина Е.А. Теоретические аспекты применения композиционных белково- фосфолипидных БАД при производстве продуктов эмульсионной природы // I Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности», КубГТУ, г. Краснодар, 20-22 ноября 2012 г. 12. Войченко О.Н., Воронцова О.С., Бутина Е.А. Выявление способов направленного формирования функционально-технологических свойств комплексного белково-липидного эмульгатора-стабилизатора // VI Международная конференция «Перспективы развития масложировой отрасли: технологии и рынок», Украина, г. Алушта, 29 – 30 мая 2013 г. 13. Войченко О.Н., Бутина Э.А., Воронцова О.С. // Факторы формирования функционально технологических свойств белково-липидного эмульгаторастабилизатора/ XIII Международная научно-практическая конференция «Масложировая индустрия-2013», г. Санкт-Петербург, 23-24 октября 2013 г.
