автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Разработка технологии пищевых эмульгаторов и эмульсионных продуктов на основе растительного сырья

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВА Ольга Ивановна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬГАТОРОВ И ЭМУЛЬСИОННЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

05.18.13. - Технология консервированных пищевых продуктов

Владивосток - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................8

1.1. Пищевые эмульгаторы, их природа и свойства...................................8

1.2 Биологическая и пищевая ценность эмульгаторов.............................14

1.3. Классификация сапонинсодержащего сырья, запасы, химический состав и свойства..........................................................................................19

1.3.1. Сапонины..........................................................................................19

1.3.2. Биологическая ценность и активность..........................................23

1.3.3. Нахождение в природе, определение и применение...................26

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ, НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................................43

2.1. Материалы, использованные в работе.................................................43

2.2. Направления исследований.................................................................45

2.3. Методическое решение поставленных цели и задачи.......................45

2.4. Методы исследования...........................................................................53

2.5. Статистическая обработка данных......................................................62

Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ ЭМУЛЬГАТОРОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ..............................................................................................................65

3.1. Технологические режимы получения водных экстрактов-

эмульгаторов из корней дикоросов: аралии маньчжурской {Aralia mandshurica Rupr. et Maxim), элеутерококка колючего {Eleutherococcus senticosus Max.), мыльнянки лекарственной {Saponaria officinalis),

солодки голой {Clycyrrhizia glabra L.)........................................................67

3.2. Изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств экстрактов эмульгаторов из растительного сырья........................................................76

3.2.1. Изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств экстракта из корней мыльнянки лекарственной (ЭКМ)..................................................77

3.2.2. Изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств экстракта

из корней аралии маньчжурской (ЭКА)..........................................................83

3.2.3. Изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств экстракта из корней элеутерококка колючего (ЭКЭ)......................................................89

3.2.4. Изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств экстракта

корней солодки голой (ЭКС)............................................................................91

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ И АКТИВНОСТИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ЭКСТРАКТОВ..............................98

4.1. Химический состав растительных экстрактов...................................98

4.1.1. Анализ водных экстрактов..............................................................98

4.1.2. Гемолитическая активность сапонинов........................................99

4.1.3. Количественное определение сапонинов....................................101

Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ НАТУРОПРОДУКТОВ ЭМУЛЬСИОННОЙ ПРИРОДЫ С БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ДОБАВКАМИ.... 105

5.1. Подбор и подготовка компонентов, входящих в состав эмульсионной продукции..........................................................................105

5.2. Разработка рецептур и технологии производства эмульсионных продуктов на основе эмульгаторов растительного происхождения.....115

5.3. Характеристика устойчивости и стабильности эмульсионной продукции в процессе хранения................................................................124

6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ......................129

ВЫВОДЫ........................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................131

ПРИЛОЖЕНИ Я..........................................................................155

Введение

В настоящее время большой популярностью у населения пользуются эмульсионные продукты питания. Однако в большинстве своём эта продукция оказалась высококалорийной. В связи с этим возникла необходимость разработки рецептур эмульсионной продукции пониженной калорийности, которая в свою очередь не отличалась бы по органолептическим показателям от традиционно потребляемой. Одним из путей решения этой проблемы является применение растительных эмульгаторов и введение в эмульсии овощных, фруктовых и плодово-ягодных пюре, а также других добавок растительного происхождения. Такие эмульсии легко усваиваются организмом, предупреждают ожирение, накопление холестерина, способствуют выведению из организма токсинов и радионуклидов [96, 103, 121, 183, 192].

В то же время одной из основных проблем в физико-химии дисперсных систем является проблема поиска веществ для повышения устойчивости и стабилизации эмульсий [39,115,146,200].

Большой интерес в этом плане представляют биологически ценные эмульгаторы на основе растительных экстрактов корня колючелистника (мыльнянка лекарственная), корня аралии маньчжурской, лакричного корня, корня элеутерококка. Однако для производства энергосберегающих натуропродуктов эмульсионной природы экстракты из сапонинсодержащего сырья до настоящего времени не применялись, хотя сведения о высокой эмульгирующей способности встречаются у Журавлёвой В.И., Кочетовой Л.И. [87,141].

В связи с этим, представляется целесообразным изучение свойств водных экстрактов из перечисленных растений и получение на их основе эмульсионной продукции.

Целью работы было экспериментальное исследование возможности применения растительного сырья (в том числе дальневосточного (ДВ) региона) для получения пищевых эмульгаторов и разработка на их основе эмульсионных пищевых продуктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- скрининг растительного сапонинсодержащего сырья с целью выявления высоких эмульгирующих свойств;

- изучение пенообразующих и эмульгирующих свойств растительных экстрактов как эмульгаторов;

- научное обоснование возможности пищевого использования экстрактов из корней мыльнянки лекарственной (ЭКМ), аралии маньчжурской (ЭКА), солодки голой (ЭКС), элеутерококка колючего (ЭКЭ);

- разработка технологии получения эмульгаторов из растительного сырья;

- изучение влияния способов предварительной обработки корней, температурного режима и длительности приготовления на объёмный выход экстрактов и их пенообразующие свойства;

- разработка рецептур эмульсионной низкокалорийной продукции;

- исследование качества образцов опытной партии эмульсионной продукции по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим

показателям в процессе хранения.

Научная новизна и теоретическая ценность полученных результатов.

- Впервые на основании эксперимента и сравнительного анализа сапо-нинсодержащего растительного сырья ДВ получены пищевые эмульгаторы и применены для получения эмульсионных продуктов.

- Получены новые экспериментальные данные по пенообразующим и эмульгирующим свойствам растительных экстрактов — аралии маньчжурской (Aralia mandshurica Rupr. et Maxim); элеутерококка колючего (.Eleutherococcus senticosns (Rupr. et Maxim) Max.)-, мыльнянки лекарственной (,Saponaria officinalis); солодки голой (Clycyrrhizia glabra L.) и установлена характерная зависимость от относительной плотности и содержания сухих веществ в водных экстрактах.

- Установлены режимные интервалы технологии натуропродуктов эмульсионной природы на основе растительных сапонинсодержащих экстрактов.

- Впервые разработана технология натуропродуктов эмульсионной природы на основе растительных сапонинсодержащих экстрактов, в том числе ДВ происхождения.

Практическая ценность результатов.

Разработана технология получения пищевых эмульгаторов из корней аралии маньчжурской (получено положительное решение на выдачу патента «Пищевой эмульгатор и пенообразователь». № 96120564/13 (027050)) и солодки

голой, обеспечивающие выход с высоким содержанием сухих веществ.

Разработаны технологии и рецептуры получения эмульсионных продуктов на основе эмульгаторов из растительного сырья (ЭКМ, комплексного эмульгатора — ЭКСМ, ЭКА).

Владивостокским АО «Рыбокомбинат» и Уссурийским АО «Дальсоя» выпущены опытные партии майонеза «Славянский» (Акт о выпуске от 25 декабря 1996г., акт о выпуске от 13 сентября 1996г.).

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Пищевые эмульгаторы, их природа и свойства

Эмульсии составляют отдельный класс дисперсных систем, образованных из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде мельчайших капелек. Разнообразные дисперсные системы широко распространены в природе. Это и горные породы, грунты и почвы, туманы и облака, выпадающие из них атмосферные осадки (дождь, снег), а также все ткани живых организмов и продукты их жизнедеятельности [126,127].

Дисперсионные системы состоят из двух фаз: внутренней дисперсионной фазы, которая находится в мелкораздробленном состоянии и внешней, непрерывной дисперсионной среды. Обычно в эмульсиях типа майонез одной из фаз является вода, а другой — масло или любая органическая жидкость, которая не смешивается с водой. В зависимости от того, какая фаза находится в диспергированном (измельченном) состоянии различают два типа эмульсий: прямую (масло-вода), когда масло является внутренней фазой и обратную (вода-масло), в которой масло служит внешней средой [81,159,171,184 ].

По концентрации дисперсной фазы эмульсии подразделяют на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

К разбавленным эмульсиям относятся системы, в которых объемная доля дисперсной фазы менее 1%. Они устойчивы без специальных эмульгаторов. Устойчивость разбавленных эмульсий объясняется довольно малыми размера-

ми капелек жидкости и незначительной концентрацией этих систем.

В концентрированных эмульсиях объемная доля дисперсной фазы от 1% до 74%. Увеличение концентрации приводит к понижению агрегативной устойчивости, поскольку увеличивается вероятность столкновения, а следовательно и коалесценция капель (слияние в сплошную массу) [126,212]. Поэтому для повышения устойчивости эмульсий к расслоению (агрегативная устойчивость) в их состав вводятся эмульгаторы, в качестве которых используются вещества, обладающие одновременно гидро- и олеофильностью, то есть, имеющие двойственную растворимость. Молекулы этих веществ образуют на поверхности раздела фаз эмульсии адсорбционные слои, препятствующие слиянию частиц фазы и уменьшающие размеры этих частиц за счет снижения межфазного поверхностного натяжения. При наличии активного эмульгатора возможно приготовление высококонцентрированных эмульсий [91, 170, 168, 186].

Высококонцентрированные эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74% называют желатинированными. В них капельки дисперсной фазы сильно деформированы. Дисперсные среды в таких эмульсиях превращаются в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники. Желатинированные эмульсии твердообразны, сохраняют свою форму, не растекаются [88, 89, 90].

Одной из основных проблем в физико-химии дисперсных систем является проблема устойчивости эмульсий, связанная с выявлением условий, необходимых для длительного равномерного распределения тонкораздробленного веще-

ства в дисперсной среде. Выяснение условий и факторов, обеспечивающих прочность получаемых эмульсий, составляет общую проблему эмульгирования [92, 167].

Процесс стабилизации эмульсий имеет сложный характер вследствие того, что в нем участвует ряд факторов, стабилизирующее действие каждого из которых проявляется при определенных условиях [174, 206].

К факторам, влияющим на образование устойчивых эмульсий, относится эффект М. Гиббса, проявляемый в кинетическом стабилизирующем действии адсорбционных слоев. При этом двусторонние пленки жидкости в эмульсиях самопроизвольно утончаются с довольно большой скоростью и разрываются. Утончение происходит вследствие стекания жидкости под действием силы тяжести и всасывания в более толстые участки пленки. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) снижают избыток межфазной поверхностной энергии, адсор-бируясь на поверхности раздела фаз. Присутствие ПАВ, используемых в качестве эмульгаторов, в адсорбционном слое обуславливает возникновение разности двухмерных давлений, благодаря которой в пленке возникают токи жидкости, противодействующие ее утончению. Этот эффект является слабым фактором устойчивости и не может быть ответственным за стабилизацию высокоустойчивых эмульсий.

Другой фактор, энтропийный, обусловлен тепловым движением и взаимным отталкиванием гибких цепей макромолекул ПАВ, только частично связанных частицами дисперсной фазы в результате адсорбции отдельных их участ-

ков. Этот механизм стабилизации эффективен в низкоконцентрированных системах и в системах, содержащих эмульгаторы с длинными подвижными цепями.

В основу действия электростатического фактора положена теория развития, разработанная Б.В.Дерягиным, Д.Л.Ландау, Е.И.Фервели. Согласно данной теории на поверхности частиц дисперсной фазы образуется двойной электрический слой ионов, обуславливающий существование энергетического барьера электрической природы, который препятствует сближению одноименно заряженных частиц на расстояние, где действуют интенсивные молекулярные силы притяжения [126, 127]. С позиции этого фактора не всегда можно объяснить устойчивость эмульсионных систем, особенно стабилизированных неиноген-ными эмульгаторами (т.е., молекулы которых неспособны к диссоциации) [118, 177].

Наиболее универсальный фактор устойчивости дисперсных систем по теореме Ребиндера сводится к образованию на поверхности капель структурированных гелеобразных слоев, обладающих высокой структурной вязкостью, упругостью и прочностью при одновременной сольватированности поверхности таких оболочек дисперсионной средой. Для стабилизации системы наряду с высокой вязкостью и прочностью адсорбционная пленка должна быть легко подвижна и быстро восстанавливаться при случайных разрывах. Следовательно, для получения устойчивых концентрированных эмульсий, эмульгаторы должны обладать одновременно поверхностной активностью и способностью

образовывать структурированные коллоидноадсорбционные слои [74, 118, 127].

В настоящее время существуют две гипотезы, объясняющие устойчивость эмульсий. Первая гипотеза объясняет прочность эмульсий образованием на поверхности раздела механически прочных адсорбционных слоев. Этой теории придерживается большинство исследователей. Согласно второй гипотезе, устойчивость эмульсий обуславливается наличием глобул двойного электрического поля, т.е. исходят из образования на границе раздела адсорбционных оболочек, свойства и строение которых различны [92, 168, 186, 188].

Механизм эмульгирования заключается в образовании капелек дисперсной фазы в дисперсной среде и их стабилизации в результате адсорбции на их поверхности присутствующего в системе эмульгатора. Для достижения необходимой степени дисперсности в систему вводят эмульгатор, который, концентрируясь на поверхности раздела фаз, обеспечивает снижение поверхностного натяжения. При изготовлении эмульсий следует вводить наиболее эффективные эмульгаторы в достаточном количестве [118, 119, 169].

Наиболее эффективными эмульгаторами, которые способствуют образованию наиболее агрегативно устойчивых эмульсий, должны являться полуколлоиды и полимеры, дающие коллоидные и студнеобразные адсорбционные слои на межфазной границе.

Изучая эмульсии, С. С. Воюцкий установил, что агрегативная устойчивость коллоидных и микрогетерогенных систем является следствием образова-

ния на поверхности частиц двойного электрического слоя из ионов. В результате этого возникает энергетический барьер, препятствующий сближению одноименно заряженных частиц на расстояние, где действуют интенсивные молекулярные силы притяжения [40].

К эмульгаторам, используемым при подготовке эмульсий, предъявляются следующие требования:

1. Эмульгаторы должны насыщать границу раздела фаз. Они должны быть ПАВ и адсорбироваться на поверхности раздела. Низкомолекулярные ПАВ обладают лучшим диспергирующим действием в результате более значительного снижения поверхностного натяжения. Стабилизирующие же свойства выражены у высокомолекулярных ПАВ за счет образования сетчатых структур на поверхности раздела фаз.

2. Эмульгатор должен или заряжать частицы таким образом, чтобы они взаимно отталкивались, или образовывали стабильный высоковязкий или даже твердый слой вокруг частиц [118,159].

Наличие адсорбционно-сольватных слоев как решающего фактора устойчивости высококонцентрированных эмульсий подтверждено работами П.А.Ребиндера [127]. Л.Я.Кремнев установил, что предельно концентрированные эмульсии стабилизируются достаточно обводненными адсорбционными слоями. В этом случае наряду с ПАВ вода также является структурообразующим элементом ячеистой осн�