автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.03, диссертация на тему:Научные основы технологии хранения и переработки семян подсолнечника

/./ и

..й-1"*

' !

4

е

/5

/

кубанским государственный технологический университет

■У/*

На правах рукописи

УДК: 665347.8.01.002.3 (043.3)

/л

ЛОБАНОВ Владимир Григорьевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА

Специальности: 05.18.03 - Первичная обработка и хранение продукции

растениеводства

05.18.06 - Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов

ция

1 ктора технических наук

юге доклада

/

МОСКВА -1999

Работа выполнена на кафедре биохимии и технической микробиологии Кубанского государственного технологического университета

Официальные Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель оппоненты: науки и техники РФ Казаков Е.Д.

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Братерский Ф.Д.

Доктор технических наук, профессор Красильников В.Н.

Ведущая организация:

Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно-исследовательского института жиров

Защита состоится 1 июля 1999 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д.063.51.01 Московского государственного университета пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, И (корп. 1, ауд. 229)

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МГУПП

Диссертация разослана 28 мая 1999 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доцент

/И.С. Шуб/

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность проблемы. Проблема здорового питания существует во всех странах. Важнейшим направлением государственной политики России в этой области является законодательная и нормативная база в сфере производства и потребления пищевых продуктов на основе Федерального Закона «О качестве и безопасности пищевых продуктов», президентской программы по проблеме здорового питания населения России и других материалов, посвященных этой проблеме, включая утвержденную Совмином РФ концепцию здорового питания населения России до 2005 года, получившую уровень государственной политики.

Фундаментальные исследования в области производства пищевых продуктов, пищевой химии, биохимии, микробиологии, гигиены питания требуют критической переоценки современных технологий хранения и переработки растительного сельскохозяйственного сырья. Особую остроту эта проблема приобрела для семян масличных растений в результате успешной селекции подсолнечника на высокое содержание масла.

Появление в пятидесятых годах текущего столетия в промышленном производстве высокомасличного подсолнечника - основной масличной культуры России, выявило уже в первые годы переработки семян новых сортов, что в ходе селекции на высокую масличность коренным образом изменилась анатомия и морфология плода подсолнечника - семянки, изменился химический состав липидно-го комплекса и относительные массовые доли основных и покровных тканей. Традиционная технология переработки для нового подсолнечника оказалась совершенно непригодной и сопровождалась снижением качества масличного сырья при уборке, хранении и технологической переработке. Недопустимое снижение выходов масла, ухудшение его качества, в первую очередь из-за развития процессов окисления ненасыщенных жирных кислот в его составе, невозможность получения нетемнеющих продуктов на основе подсолнечного белка потребовали постановки серии исследований, остающихся до настоящего времени актуальными.

Переработка масличных семян по традиционным технологиям связана с интенсивными воздействиями на семена - тепловыми, механическими, физико-химическими и физико-механическими. Последующая рафинация масел включает, кроме тепловых, также и химические воздействия на липидный комплекс. Все эти воздействия сопровождаются значительными материальными и энергетическими затратами. Не менее серьезны и экологические проблемы традиционной технологии из-за образования токсичных выбросов, больших объемов вторичных продуктов и отходов. Еще более острой проблемой является неизбежное ухудше-

ние биологической ценности получаемых пищевых продуктов из-за изменения жирно-кислотного состава липидов растительных масел, денатурации белков семян и появлением в готовых продуктах антипитательных и других нежелательных соединений, образующихся под влиянием интенсивных технологических воздействий при хранении и переработке растительного масличного сырья.

Анализ патентно-информационной литературы показал, что в решение различных аспектов рационального хранения и технологической переработки зерна и семян большой клад внесли фундаментальные исследования В.Л.Кретовича, Е.Д.Казакова, Л.А.Трисвятского, А.П.Нечаева, Е.М.Мельникова, Г.А.Егорова, М.Е. Гинзбурга, Л.Н. Куприца, С.П. Пункова, Н.П. и Е.П. Козьминых, В.В.Ключкина, В.И.Ржехина, В.Н.Красильникова, Н.И.Соседова, В.М.Копейков-ского, Н.С. Арутюняна, В.Г.Щербакова и ряда других исследователей, работавших над этой проблемой. Несмотря на большое число выполненных работ, актуальность проблемы не снижается, так как наиболее сложная и дорогостоящая задача уменьшения потерь масличного сырья при хранении и сохранение в получаемых из него продуктах в нативном состоянии биологически активных компонентов все еще нуждается в решении.

Одна из причин этого - отсутствие комплексного системного подхода к анализу сложных биотехнологических процессов, происходящих в масличных семенах при хранении и переработке, обусловленных не только многовариантностью химических и биохимических процессов из-за разнокачественности химического состава и высокой неустойчивостью растительного сельскохозяйственного сырья при хранении, сезонностью его производства и поступления на хранение и переработку, но и недостаточной изученностью биохимических, технологических и микробиологических процессов в семенах масличных растений, ограничивающих возможности компьютеризации управления процессами их рационального хранения и переработки.

Актуальность проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа, подтверждена включением ее в серию Государственных научно-технических программ 1992-1998 гг. Тематика исследований входила в план НИР КубГТУ (1991-1998 г.).

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научным консультантам - Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору кафедры биохимии и технической микробиологии В.Г. Щербакову и доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой технологии переработки зерна и комбикормов А.Ю. Шаззо за постоян-

ное внимание к теме исследования, научные консультации и участие в обсуждении результатов работы.

1.2. Цель и задачи работы. Решение проблемы получения биологически полноценных экологически чистых растительных масел и пищевых белков требует обоснования и разработки усовершенствованных технологических приемов хранения и переработки экологически чистого масличного сырья - семян подсолнечника, гарантирующих сохранение в растительном масле нативных токоферолов, каротиноидов, стеролов и других биологически полезных компонентов, а в белковом комплексе - усвояемых групп белков и незаменимых аминокислот. В связи с этим целью исследования являлась теоретическая и экспериментальная разработка проблемы формирования технологического качества растительного масличного сырья при созревании в поле на растении, при уборке и послеуборочной обработке, хранении и технологической переработке с целью прогнозирования эффективных способов сохранения качества семян и создания способов их оптимальной технологической переработки, базирующихся на принципиально новых методах оценки биологического и технологического качества масличных семян, перспективных технологических и технических решениях, учитывающих специфические биохимические особенности семян современных сортов и гибридов подсолнечника.

Для достижения поставленной цели в области послеуборочной обработки, хранения и технологической переработки семян подсолнечника современных и перспективных типов решались следующие задачи:

- изучение на клеточном и субклеточном уровне биохимических процессов накопления и отложения в запас липидов и белков в созревающих семенах подсолнечника и их изменений при послеуборочной обработке, хранении и технологической переработке;

- анализ биохимических и физиологических реакций семян подсолнечника различных типов на условия хранения: газового состава межсеменной атмосферы, химических консервантов, воздействия ферментов микроорганизмов, сопутствующих семенам при хранении; статического и динамического давления на семена при хранении в хранилищах различных типов, осложненных разнокачест-венностью анатомического строения и химического состава основных и покровных тканей семян;

- обобщение закономерностей функционирования биотехнологических процессов в хранящихся подсолнечных семенах и разработка методов прогнозирования и управления процессом хранения семян в хранилищах различных типов

и на этой основе оптимизация технологии получения растительного масла и его рафинации;

- разработка теоретических и прикладных аспектов комплексной оценки технологического качества масличных семян современных и перспективных сортов, включая создание программных продуктов для компьютерной оценки биохимических и технологических характеристик масличного сырья, и на этой основе для компьютерного моделирования, прогнозирования и расчета оптимальных технологий хранения и переработки семян масличных растений.

1.3. Научная концепция. В ходе разработки теоретических и прикладных основ рациональной технологии хранения и переработки семян подсолнечника был применен системный подход в решении взаимосвязанных задач от углубленного изучения и анализа биологических особенностей семян, формирования их технологического качества в послеуборочный период, выявления влияния технологии на пищевую ценность получаемых продуктов до разработки способов комплексной оценки качества исходного сырья и прогнозирования эффективности его оптимальной технологической переработки, гарантирующей получение готовой продукции заданного качества.

Автор убежден в бесперспективности получения высококачественных пищевых продуктов из растительного сырья, качество которого снижено из-за неблагоприятных условий при созревании, уборке, послеуборочной обработке и хранении, и экономической целесообразности технологической переработки на пищевые продукты только высококачественного масличного сырья.

1.4. Научная новизна. В результате проведенного комплексного исследования биохимических и технологических особенностей современных сортов подсолнечника:

- выдвинуто, теоретически обосновано и экспериментально подтверждено методом электронной просвечивающей и электронной сканирующей микроскопии принципиально новое представление о формах отложения в запас липидов в виде липидных сферосом в клетках основных тканей (зародыше и эндосперме) созревающих и дозревающих подсолнечных семян. На основании количественной оценки выявленных особенностей локализации запасных липидов в клетках семян и их изменений под влиянием различных условий послеуборочной обработки, хранения и технологической переработки обоснованы усовершенствованные приемы и методы послеуборочной обработки, хранения и технологической переработки семян, включая выведение из полученных масел полярных липидов;

- выявлена взаимозависимость интенсивности отложения в запас липидов и функциональной активности митохондрий в созревающих и дозревающих семенах и установлено, что уменьшение потребления кислорода митохондриями к концу созревания ведет к росту десатурационных процессов в липидах сферосом, снижению массовой доли ацилов олеиновой и росту доли ацилов линолевой кислоты в составе триацилглицеринов (ТАГ) подсолнечного масла;

- установлены наиболее полный стереовидовой состав и структура ТАГ запасных липидов подсолнечника линолевого и олеинового типов, доказана изменчивость жирнокислотного и стереовидового состава ТАГ при хранении семян в различных условиях, а также под влиянием технологических параметров извлечения из семян масла;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено новое положение о продолжающемся изменении жирнокислотного и стереовидового состава ТАГ в липидных сферосомах свежеубранных подсолнечных семян при послеуборочной обработке; впервые экспериментально установлена самопроизвольная внутримолекулярная переэтерификация ацилов жирных кислот различной степени насыщенности в составе ТАГ, приводящая к упрощению видового состава ТАГ к концу созревания и дозревания и коррелирующая с активностью гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов в семенах;

- выявлено изменение позиционного распределения жирных кислот в молекулярной структуре ТАГ под влиянием технологических параметров при обезжиривании семян, снижающее физиологическую ценность масла из-за уменьшения массовой доли линолевой кислоты в положении бп-2; показано, что смещение наиболее ненасыщенных жирных кислот подсолнечного масла в 8П-2 положение замедляло развитие окислительных процессов в извлеченном из семян масле при хранении;

- выдвинуто и обосновано новое положение о типах подсолнечника, различающихся по уровню и характеру защитных свойств их покровных тканей; выявлено два типа защитных функций покровных тканей, условно названных «преимущественно механическим» и «преимущественно химическим», реализуемых за счет разного уровня накопления химически инертных соединений, в первую очередь кутикулярных восков, и обоснована необходимость раздельного хранения и технологической переработки семян подсолнечника с различным типом защитной функции;

- впервые изучен гликолипидный комплекс семян подсолнечника, определено изменение состава гликолипидного комплекса в предуборочный период и

при хранении семян; определены критические константы индивидуальных глико-липидов и их варьирование от величины массовой доли гликолипидов в масле и температуры; предложены способы, обеспечивающие эффективное выведение гликолипидов и других полярных липидов из подсолнечного масла;

- установлена и количественно оценена многокомпонентность белкового комплекса подсолнечных семян по биологической ценности и атакуемости его протеолитическими ферментами, обосновано существование трех периодов в изменении структуры белков, отличающихся по физико-химическим характеристикам, пищевой ценности и усвояемости; разработан комплекс технологических рекомендаций по способам модификации функциональных свойств белковых изоля-тов и концентратов с целью получения белковых продуктов повышенной биологической ценности, применяемых в качестве белковых обогатителей;

- установлена многокомпонентность комплекса фенольных соединений семян подсолнечника различных ботанических форм; определена локализация индивидуальных групп фенольных соединений в тканях семян; разработаны способы удаления из белковых изолятов комплекса фенольных соединений при получении нетемнеющих высокобелковых продуктов из семян подсолнечника;

- выявлена взаимозависимость в биологической системе «семена-фитопатоген» уровней активности гидролитических ферментов микроорганизмов, развивающихся на семенах подсолнечника при хранении, и активности собственных ферментов семян; идентифицирован видовой состав микроорганизмов и групповой состав токсичных метаболитов, продуцируемых ими на семенах подсолнечника, а также экспериментально установлено ингибирование липидами покровных тканей семян подсолнечника метаболизма микрогрибов;

изучены структурно-механические свойства семян подсолнечника различных типов, определены деформации и напряжения, необходимые для разрушения их тканей, оценена роль лузги в качестве защитной оболочки от механических повреждений семян при хранении и технологической переработке;

- дана объективная оценка технологического качества новых типов подсолнечника как объекта переработки; на основе моделирования технологических свойств впервые проведено прогнозирование лузжистости ядра семян подсолнечника при обрушивании и степени разрушения маслосодержащих сферосом при измельчении ядра;

- установлена взаимосвязь между показателями эффективности обрушивания и измельчения и качеством масла, извлекаемого из семян подсолнечника;

РОССИЙСКАЯ

л ГОСУДАРСТВЕННАЯ

У БИБЛИОТБ&А

- теоретически и экспериментально обоснованы научные основы усовершенствованной технологии хранения и переработки семян подсолнечника современных типов, обеспечивающей получение масла и белка высокой биол