автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Биохимическое обоснование разработки профилактических напитков на основе топинамбура

/

КУБ ЛНСКИЙ ГОС У ДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ У НИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Эллада Исмаиловяа

БИОХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ НАПИТКОВ НА ОСНОВЕ ТОПМ И АМБУ Р А

05.18.13 - Технология консервированных пищевых продуктов

ДИССЕРТАЦИЯ ,

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научньгй руководш'ель кандидат, технических наук, доцент В.Ю. Бархатов

Краснодар 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СТР.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИТИ.ЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Топинамбур - источник запасных углеводов 8

1.2. Историческая справка 11

1.3. Ботаническая характеристика 12

1.4. Химический состав 13

1.5. Топинамбур - перспективное нетрадиционное сырье 33

1.6. Цели и задачи исследования 36

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материалы и методы исследований

2.1.1. Объекты исследований 38 ■

2.1.2. Постановка эксперимента 39

2.1.3. Методы исследований 41

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Химический состав и пищевая ценность сока -

полуфабриката полученного из клубней топинамбура 56

3.2. Исследование влияния различных факторов на . изменения поляфенольного комплекса топинамбура

33. Углеводный комплекс топинамбура и его изменения в

в процессе технологической переработки 83

3.4. Обоснование рецептурных композиций соков и напитков

на основе топинамбура 106

3.5. Регламент основных технологических процессов получения напитков и соков с мякотью

на основе топинамбура 116

ВЫВОДЫ 131

ЛИТЕРАТУРА 133

ПРИЛОЖЕНИЯ 149

Постоянный рост заболеваний сахарным диабетом, нарушением обмена веществ, ожирением увеличивает спрос на продукты профилактического питания. Существующие в наше время технологии производства консервов профилактического назначения предусматривают замену сахара подсластителями или же его полное отсутствие, что естественным образом снижает пищевую и энергетическую ценность данных продуктов.

Одним из главных перспективных направлений пищевой промышленности является получение новых продуктов и подсластителей на основе нетрадиционных видов растительного сырья, имеющих богатый углеводный комплекс в своем составе.

К таким видам сырья среди овощных культур относится топинамбур (Т)

Большой интерес вызывает его способность производить относительно большие количества полимеров Д - фруктозы как запасных углеводов. Богатый состав биологических активных веществ делает топинамбур незаменимым ■ в диетическом питании, в приготовлении высокоэффективных лекарственных средств. Топинамбур является одним из немногих в природе инулиноносных растений и по содержанию инулина и: его полимеров превосходит все

другие растения. Инулин плохо усваивается организмом человека. В связи с этим, одной из важнейших научно-технических задач, стоящих перед пищевой промышленностью, является поиск эффективного способа превращения инулина во фруктозу, которую с успехом можно использовать в качестве сахарозаменителя при производстве консервов профилактического назначения, отвечающих современной концепции сбалансированного питания.

Цель исследования.

Цель исследований - разработать и обосновать технологию консервированных напитков и соков с мякотью на основе топинамбура, купажированных фруктовыми и овощными пюре и соками, не содержащими в своей рецептуре большого количества глюкоза.

Научная новизна работы.

Впервые для клубней топинамбура сорта " Интерес . районированного в Краснодарском крае, дана подробная биохимическая характеристика состава, в том числе и по ранее не изученным компонентам ( полифенольные и минеральные вещества, окислительно-восстановительные ферменты),

Предложен способ предварительной обработки ' клубней топинамбура при дроблении, обеспечивающий, инактивацию окислительных ферментов.

Определены условия мягкого гидролиза инулина и полифру ктозанов выжимок топинамбура, обработанных' электроактивированной водой (ЗАВ) с привлечением математического моделирования.

В соо тветствии с теорией сбалансированного питания, с помощью ЭВМ - моделирования разработаны и оптимизированы рецептуры консервов на основе гидролизованного сока Т. Научно обоснованы основные технологические процессы производства соков и напитков на основе топинамбура ( очистка, дробление,, прессование, гомогенизация, стерилизация ).

Оценена биологическая и энергетическая ценность консервов на основе топинамбура с фруктовыми добавками.

Практическая значимость работы.

Научное обоснование позволило разработать технологию и рецептуры напитков и соков с мякотью на основе Т. Расширение ассортимента профилактических продуктов питания даст возможность создать профилактические' диеты для лиц, страдающих нарушениями углеводного обмена, в частности, сахарным диабетом, ожирением. Разработана нормативно-техническая документация и ( ТУ 9162 - 014 - 04801346 ), внедрение которой повысит технико-экономические показатели предприятий за счет продления сезона переработки.

На защиту выносятся :

■ характеристики пищевой и биологической ценности . сырья, сока-полуфабриката и новых видов консервированных продуктов из Т ;

■ способ предварительной обработки клубней Т, предотвращающий ферментативное побурение сока Т

И параметры гидролиза полисахаридов выжимок топинамбура ЗАВ

■ рецептуры и режимы стерилизации новых видов консервированных продуктов;

■ технологическая схема производства новых видов консервирован ных продуктов.

Рассматриваемая диссертация выполнена на, кафедре технологии консервирования Кубанского государственного' технологического университета под руководством кандидата технических наук, доцента Бархатова Виктора Юрьевича.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. ТОПИНАМБУР - ИСТОЧНИК ЗАПАСНЫХ УГЛЕВОДОВ

Топинамбур - перспективная сельскохозяйственная культура для производства промышленных продуктов, получения горючего, а также как сырье для пищевом и биохимической промышленности. Растение дает большой урожай клубней, может культивироваться на различных почвах, устойчиво по отношению к сельскохозяйственным вредителям, заболеваниям растений и низким температурам.

Высокая урожайность клубней, возможность использования зеленой массы определяют ценность топинамбура как сельскохозяйственной культуры. Он.хороню произрастает во многих гелиоклиматических регионах, включая Европу и большую часть Северной Америки.

Исследователи говорят о топинамбуре как об источнике пищи и корма для животных, большой интерес вызывает его способность производить относительно большие количества полимеров Д - фруктозы как запасных углеводов, богатый состав биологических активных веществ делает топинамбур незаменимым в диетическом питании, в приготовлении высокоэффективных лекарственных средств. Выделяет его среди других

овощей прежде всего высокое содержание, особенно в клубнях, инулина по данным различных авторов 20 - 35 %.

В народной медицине топинамбур традиционно использовался в качестве лекарственного средства при нарушениях обмена веществ. Многочисленными исследованиями установлено, что употребление топинамбура в сыром виде или в виде продуктов его переработки больными сахарным диабетом вызывает значительное снижение содержания сахара в крови, позволяет резко сократить инъекции инсулина и способствует уменьшению массы тела больных. Инулин, составляющий 75 % углеводного комплекса топинамбура, снижает процессы гликозурии, предохраняет от диабетической комы. При легких формах сахарного диабета инулин применяется как заменитель сахара и крахмала.

В настоящее время в пищевой промышленности для подслащивания применяют очень часто сахарозу. Однако, ученые, занимающиеся проблемами питания высказали опасения по поводу ее применения вследствие неблагоприятного воздействия на организм. Этот сахар вызывает заболевание зубов кариесом, и, возможно, способствует развитию коронарных болезней. Фруктоза намного реже вызывает эти заболевания, чем сахароза. Фруктоза считается одним из самых сладких естественных Сахаров, она в 1,5 раза слаще сахарозы.

В настоящее время содержащие фруктозу сиропы готовят преимущественно из гидролизоваяного кукурузного крахмала. Гидролизат подвергнут ферментативной изомеризации для получения смеси из 40 % фруктозы и 60 % глюкозы. При проведении дальнейших фракционных процедур может быть получен сироп, содержащий до 90 % фруктозы / 11,19 /. Преимущества фруктозы, как сахара имеющего более сладкий вкус и питательную ценность, снижаются, из-за высокой стоимости процессов получения фру ктозы или чистых фруктозиых сиропов. Выращивание растений, содержащих в своем составе фруктозу как превалирующий компонент может ликвидировать эти затраты. / 11, 19 /

Фруктоза усваивается человеческим организмом без помощи инсулина, значит ее можно использовать как сахарозам енитель в продуктах питания, производимых для больных сахарным диабетом.

Для диетотерапии сахарного диабета разработаны и рекомендованы к применению различные продукты переработки топинамбура в виде соков, нектаров, сиропов, компотов, коктейлей, лимонадов, пюре, джемов, диетических хлебобулочных изделий:, молочнокислых продуктов /7, 1.3, 15, 18,56, 93 /.

1.2, ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Родиной Топинамбура является Северная Америка, в районе граничащем с Великими Озерами. Вначале его выращивали для получения клубней индейцы племени Кри и Гуроны, называвшие его соответственно "' acKiraw " и " sKibwan " - " нечто сырое это дает основание предполагать, что клубни употреблялись в пищу сырыми, как редис, позднее, из них готовили густой суп. называемый " похлебкой-".

В начале Т6 века появились первые письменные свидетельства употребления этого растения в пигцу, сделанные в начале Gosnolde, а затем несколько лет спустя Champlaine. Возможно, что именно Champlaine впервые неправильно употребил слово артишок, для описания вкуса клубней. Растение очень быстро распространилось в Европе и в России его выращивали уже в 1616 году. Отсюда он быстро распространился по всему Средиземноморью. В литературе также упоминалась возможность появления топинамбура в Европе из Северной Америки , что кажется неправдоподобным. Прибавление " Иерусалимский " к названию является результатом английского искажения итальянского названия этого растения " Gira-sole /115/

1.3. БОТАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Топинамбур, или земляная груша, является клубненосным растением семейства сложноцветных ( Сотроэкае ) и принадлежит к роду НеНап-Шш/П/.

Латинское название топинамбура - НеНап&ш ШЬегоэш Ь. - в переводе на русский язык означает " подсолнечник клубненосный ".

Стебель топинамбура прямой, крепкий, высотой 1,2 - 2,5 м, хорошо облиственный. Листья большие , шероховатые, овальной формы. Цветы желтые, собраны в розетку, в диаметре 3-7 см. Имеет мелкие коричневые семена с пятнышками на поверхности. На многочисленных подземных стеблях образует клубни белой, желтой, красной окраски. По форме клубни разнообразные - сферические., грушевидные, яйцевидные. Вес клубней колеблется от 10 г до 400 г. Средняя масса клубней около 50 г.

Топинамбур обеспечивает высокую урожайность: 350 - 500 ц / га зеленой массы и 200 - 600 ц /та клубней. На одном растении образуется клубней общей массой до 4 кг. Различают ранне-, средне- и позднеспелые сорта. Убирают клубни в октябре - ноябре, по мере надобности. Основную уборку проводят ранней весной, как только разморозится почва / 11 /. Сырье можно назвать перспективным с точки зрения увеличения сезона пере-

работки сырья, нет необходимости создавать условия для его хранения, что позволит продлить рабочий сезон на предприятиях консервной промышленности.

1.4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА

Ранние исследования показывают, что содержание сухих веществ в .клубнях сильно колеблется - от 19 % до 30 %.

Химический состав клубней в большей степени зависит от места и условий произрастания, погодных условий года сбора урожая, и конечно же от биологических особенностей самого сорта топинамбура.

1.4.1. Углеводный комплекс

Углеводы занимают исключительно большое место в питании. Их доля в продуктах питания человека составляет 50 - 60 % (по калорийности), а-у населения стран 3 -его мира до ВО - 85 % . / 46 /

Химический состав топинамбура представлен в основном углеводным комплексом ( 80 % ), высшим гомологом которого является инулин.

В 1804 году инулин был выявлен в корнях - Inula heienium L. Позднее он был обнаружен в корнях цикория, кок-саг ыза, ромашки, одуванчика, георгина и др. / 22 / Все растения относятся к семейству сложноцветных.

В.И. Товарницкий в 1938 г. высказал свое мнение о том, что инулин, в растительном организме, находится с большой группой инулидов, представителями которой являются псевдоинулин, инуленин, синантрин и др. / 22 /. Инулиды - продукты деполимеризации инулина под влиянием ферментов / 11/. Молекула инулина ( СбНюОз )п представлена цепью фруктофуранозных остатков, которая имеет один глюкозидный остаток в концевой группе и один в промежуточном положении. Наличие в молекуле инулина между фруктофуранозными остатками глюкозидных связей говорит о нестойкости инулина в водных растворах кислот.

Данные различных авторов по содержанию инулина в клубнях топинамбура имеют большие расхождения. Для сравнения приведем данные исследований биохимической лаборатории б. Института сои и спец.культур / 11 / и данные исследований Бредихиной В.А.(КубГТУ), / 18 /'.

ТХимическш состав углеводного 2.Химический состав углеводного комплекса,

.комплекса б,Института Сои и спецкультур исследованный Бредихиной В.А. ( Куб ГТУ) |

вещества в % на с^х.масс^ вещества в % на сух .массу

инулин 48,31 г-лоносахара 7,4

. крахмал 1,08 олигосахара 53,2

гемицеллюлоза 4,28 фруктоза 40,8

клетчатка 8,82 глюкоза 10,1

монозы 0,68 полисахариды 11,8

сахара, типа инулин

тростникового 25,25 9,5

Вероятнее всего, в. 1 случае под инулином понимается смесь инулина с инулидамк, Клубни для анализов в обоих случаях взяты

перезимовавшие, т.е. весенней уборки, что и объясняет наличие в клубнях большого количества Сахаров . типа тростникового (сахарозы.) в первом случае, и олигосахаров во втором.

Инулин в организме человека усваивается на 60 %, что представляет для ученых нашего времени одну из основных задач, -поиска эффективного способа превращения инулина в сладкую, полностью усваиваемую в организме и обладающую диетическими свойствами фруктозу.

Д-- фруктоза, или плодовый сахар представитель кетоз. Империческая формула ~ .СвН^Ов. Представляет собой кристаллы белого, цвета, на вкус в 1,5 раз слаще сахарозы. Растворима в теплой и холодной воде,

Получают фруктозу посредством гидролиза различных Сахаров, в нашем случае инулина.

• Углеводы при хранении пищевого, сырья, его переработке в готовые продукты претерпевают разнообразные и сложные превращения. Они зависят от состава углеводного комплекса, условий ( влажность, температура, рН среды ), наличия ферментов, присутствия в перерабатывающих

ра, рН среды ), наличия ферментов, присутствия в перерабатывающих продуктах других компонентов,, взаимодействующих с углеводами ( белки, липиды, органические кислоты к др. ) / 22, 54 /.

Из этих превращений, в первую очередь, необходимо отметить кислотный и ферментативный гидролиз олиго- и высокомолекулярных полисахаридов.

Для получения фруктозы инулин топинамбура должен быть гид-рол изован. В качестве катализатора обычно используют минеральные или органические кислоты - серную, соляную, фосфорную, щавелевую, лимонную и др. Так, например, французскими исследователями разработан способ извлечения углеводов из растительного сырья, заключающийся в выдерживании гомогенизированной растительной массы, подкисленной до рН от 4 до 1,5 ( г зависимости от вида сырья ) минеральной или органической кислотой, при температуре 50 - 85 °С, в течение 0,5 - 2,0 часов. Обработанная масса нейтрализуется до необходимого значения рН. Метод позволяет максимально извлечь фруктозу из растительного сырья.

Недостатком этого способа является необходимость использования дорогого антикоррозийного оборудования.

Поиску оптимальных условий кислотного гидролиза инулина посвящены работы многих авторов. Изучение влияния рН среды на эффективность гидролиза показало, что наибольший выход фруктозы получается

при рН от 3,0 до'4,5 и температуре гидролиза 100 °С, Жестокие условия с рН 1 -2 при I = 80 - 100 °С позволяют ускорить процесс, но при этом происходят значительные потери фруктозы, за счет деградации с образованием фенолов, дигидрофруктозоангидрида и т.п., обуславливающие темный цвет и посторонний вкус продукта.

Для гидролиза фруктанов с меньшей степенью полимеризации требуются более жесткие условия, поскольку концевые связи между глюкозой и фруктозой расщепляются труднее, чем связи между молекулами фруктозы. Ведение процесса без учета этого фактора приводит к накоплению в гидролизате значительного количества олигосахаров.

При осущ