«Инновационные технологии извлечения и модификации растительных масел, и применение получаемых продуктов при производстве хлебобулочных изделий ...»

На правах рукописи

Зайцева Лариса Валентиновна

Инновационные технологии извлечения и модификации растительных

масел, и применение получаемых продуктов при производстве

хлебобулочных изделий

Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмернокосметических продуктов (технические наук

и);

Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградорства (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств», на кафедре «Органическая, пищевая и биохимия»

доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Нечаев Алексей Петрович

Официальные оппоненты: Красильников Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ООО «Протеин Плюс», генеральный директор Шатнюк Людмила Николаевна, доктор технических наук, профессор, ЗАО «Валетек Продимпэкс», заместитель генерального директора Кривова Анна Юрьевна, доктор технических наук, профессор, ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии РАСХН, ведущий специалист

Ведущая организация: – Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Международная промышленная академия

Защита состоится «30» сентября 2013 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.122.05 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского» по адресу: 109029, г.

Москва, ул. Талалихина, д.31, ауд.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУТУ им. К. Г.

Разумовского Автореферат разослан « » 2013 г.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах ВАК РФ Министерства образования и науки РФ http://vak2.ed.gov.ru/catalogue и ФГБОУ ВПО МГУТУ им. К.Г. Разумовского http://mgutm.ru/graduates-and-doctors/dissertationcouncils/d%20212.122.05.php

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Г.И. Козярина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Масложировая отрасль является важнейшей отраслью пищевой промышленности. Бурному развитию отрасли в начале XX века способствовали разработка и внедрение новых прогрессивных технологий. Прорывной технологией в области получения растительных масел стала их экстракция органическими растворителями, повысившая эффективность извлечения масла из масличного сырья до максимального уровня. В области модификации растительных масел огромную роль сыграла разработка технологии гидрогенизации растительных масел, внедрение которой привело к получению твердых пластичных масложировых продуктов взамен животных жиров. Разработка новых технологий повлекла за собой создание новых масложировых продуктов эмульсионной природы, таких как маргарины, майонезы, спреды, а также жиров специального назначения для различных отраслей пищевой промышленности. В настоящее время во всем мире, продолжается устойчивый рост объемов производства растительных масел, с 2000 по гг. оно увеличилось на 56 млн.т (62 %) и составило 146 млн.т. Основным масличным сырьем в России является подсолнечник, с 2001 по 2011 год производство сырого подсолнечного масла в РФ возросло с 1,2 млн.т до 2,5 млн.т. За прошедшие двадцать лет в России созданы производства эквивалентов, улучшителей, заменителей масло какао, заменителей молочного жира. С 2006 по 2011 гг. производство твердой масложировой продукции в России возросло с 540 тыс.т до 677 тыс.т.

Вступление России в ВТО 22 августа 2012 года обусловило необходимость гармонизации российского законодательства, а также законодательства стран Таможенного союза, активным участником которого мы являемся, с законодательными актами Европейского и мирового сообщества. С этой целью разработаны и приняты Технические регламенты Таможенного союза, регулирующие вопросы производства, оборота и безопасности пищевой продукции, в том числе Технический регламент на масложировую продукцию ТР ТС 024/2011. Совершенствование нормативно-технической базы невозможно без модернизации предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности. Она должна быть направлена, в первую очередь, на разработку и внедрение технологий, способствующих повышению качества и безопасности выпускаемых пищевых продуктов, что соответствует положениям Доктрины продовольственной безопасности РФ (указ Президента РФ от 30 января 2010 г. № 120) и Основам государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 года (распоряжение Правительства РФ от 25.10.2010 г. № 1873-р). В связи с этим модернизация всех предприятий агропромышленного комплекса России определена в качестве основной задачи в Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 г. (распоряжение Правительства РФ от 17 апреля 2012 г. №559-р). Огромные возможности для реализации этих целей предоставляет использование биотехнологических подходов в различных отраслях агропромышленного комплекса, что доказывается принятием Комплексной программы развития биотехнологий в РФ на период до 2020 г. (приказ Правительства РФ от 24 апреля 2012 г. №1853п-П8).

Растительные масла, а также масложировые продукты на их основе являются важными компонентами ежедневного рациона питания человека, обеспечивают ему необходимую калорийность, а также являются источником биологически активных веществ липидной природы, в том числе эссенциальных. В конце XX, начале XXI веков с развитием науки о питании и совершенствованием аналитических методов исследования состава и структуры жировых продуктов, позволивших получить новые данные о влиянии веществ липидной природы на здоровье человека, изменились рекомендации диетологов и нутрициологов для этой категории продуктов. Они включают: сбалансированный жирнокислотный состав с обязательным присутствием полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) семейств омега-3 и омега-6 в оптимальном соотношении 1 : (5-10); сохранение/внесение в жировой продукт биологически активных веществ (витаминов, провитаминов, фитостеринов и т.д.);

максимально низкое содержание продуктов окисления масел; ограничение содержания транс-изомеров жирных кислот; отсутствие контаминантов химической и биологической природы.

Устойчивый рост объемов производства растительных масел, создание новых масложировых продуктов для различных отраслей пищевой промышленности, а также современные рекомендации к их составу требуют повышения качества и безопасности исходных растительных масел и совершенствования технологий их модификации. Поэтому актуальным является разработка экологичных методов выделения и модификации растительных масел, позволяющих отказаться от использования пожароопасных органических растворителей и химических катализаторов; максимально сохранить исходные биологически активные вещества и белковый компонент масличного сырья; избежать образования побочных продуктов реакции, в том числе транс-изомеров жирных кислот;

снизить негативное влияние на среду обитания и здоровье человека.

Большую роль в фундаментальных исследованиях по биохимии растительного масличного сырья, в первую очередь семян подсолнечника, и технологии его промышленной переработки сыграла Краснодарская научная школа под руководством Щербакова В. Г. и Лобанова В. Г., а также исследования, проводимые Всероссийским научноисследовательским институтом жиров. В продолжение этих исследований работами российских и зарубежных ученых показано, что одним из перспективных направлений является использование биотехнологических подходов и решений в области извлечения и модификации растительных масел. Возможность применения биокатализаторов при выделении растительных масел была показана P. D. Fullbrook и A. Rosenthail. В 90-х годах XX века в России были начаты исследования по применению ферментных препаратов при водной экстракции растительных масел, большой вклад в которые внесли В. В. Ключкин, А.

П. Нечаев, О. В. Кислухина, В. Д. Надыкта, М. Л. Доморощенкова, С. Е. Траубенберг и др. В области энзимной переэтерификации фундаментальные и прикладные исследования представлены в работах A. R. Macrea, X. Xu, H. Zhang, J. Adler-Nissen, S. Hari Krishna, D. K.

Bhattacharyya, Ю. А. Тырсина, С. А. Шеламовой и др. В последние десять лет количество исследований по использованию биокатализаторов в процессах извлечения и переработки растительных масел возросло многократно.

Разработка новых методов извлечения и модификации растительных масел влечет за собой необходимость в исследованиях по применению полученных продуктов в различных отраслях пищевой промышленности, в том числе хлебопекарной. Большинство рецептур хлеба и хлебобулочных изделий из пшеничной муки предусматривают использование различных масложировых продуктов. Большой вклад в изучение влияния жировой составляющей на процессы, протекающие при приготовлении хлеба, внесли Л. И. Пучкова, Р. Д. Поландова, А. П. Нечаев, Г. Ф. Дремучева, И. В. Матвеева, Г. Н. Дубцова, W. R.

Morrison, Y. Pomeranz, N. Fisher, A.-C. Eliasson, J. A. Delcour и др. Хлеб составляет основу пирамиды рационального питания и всегда рассматривался как идеальный объект для обогащения пищевого рациона различными нутрицевтиками, поэтому использование при его производстве масложировых продуктов энзимной переэтерификации со сбалансированным жирнокислотным составом, не содержащих транс-изомеров жирных кислот, является актуальным.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение задач, связанных с разработкой инновационных технологий извлечения растительных масел, совершенствованием методов их модификации с использованием достижений биотехнологии, разработкой масложировых продуктов с учетом современных рекомендаций, реализация которых отвечает приоритетным направлениям развития науки и ориентирована на производство продуктов высокого качества, безопасности и пищевой ценности для различных отраслей пищевой промышленности, в том числе хлебопекарной.

Официальным подтверждением актуальности выполнения исследования является включение его этапов в фундаментальные НИР «Теоретические основы создания ресурсосберегающей экологически чистой технологии комплексной переработки растительного масличного сырья, предусматривающей выделение масла и белкового продукта» (1994-1995); «Разработать научные основы совместного выделения липидов и белка с использованием методов инженерной энзимологии, в т.ч. и ферментов» (1997-2000);

«Разработка технологии белковых препаратов из зерновых культур с применением биокатализаторов на базе компьютерного проектирования, обеспечивающей повышение выхода, регулирование функциональных свойств белков» (2001-2002); «Снижение риска получения некачественной продукции за счет разработки и внедрения высокоэффективных методов, приборов и микропроцессорных систем автоматического контроля качества и безопасности сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов питания» (2005);

«Конструирование продуктов функционального и специализированного назначения. Роль взаимодействия макро- и микронутриентов» (2011-2012), выполненных по заданию Министерства образования и науки РФ. Ряд результатов получен в ходе выполнения хоздоговорных научно-исследовательских работ: «Провести исследования по выбору ферментных препаратов, обеспечивающих эффективное выделение растительных жиров»

(1991-1993), «Белковые препараты и композиты с заданными функциональными свойствами» (2000-2001), а также в рамках исследований, проводимых для Корпорации «СОЮЗ» (2009-2012).

Целью настоящей работы являлось решение комплекса научно-практических задач, направленных на создание технологий извлечения растительных масел с применением биокаталитической водной экстракции (БВЭ), совершенствование процесса их энзимной переэтерификации (ЭП) для получения масложировых продуктов с высокими показателями качества и безопасности и определение путей их эффективного использования при производстве пищевых продуктов, в том числе хлебобулочных изделий.

Поставленная цель предусматривала решение следующих задач:

- выбор масличного сырья и ферментных препаратов (ФП) для разработки процесса водной экстракции растительных масел, исключающей использование органических растворителей; определение параметров процесса, способствующих эффективному извлечению масла и сохранению белкового компонента масличного сырья, их оптимизация;

- разработка технологии получения масла и протеинсодержащего продукта из семян подсолнечника с применением БВЭ;

- разработка технологии получения масла и белковых продуктов из бобов сои с применением БВЭ;

- исследование показателей качества и безопасности растительных масел и биохимического состава протеинсодержащих продуктов, полученных по новым технологиям;

- разработка требований к сырью для ЭП в промышленных условиях с целью получения пластичных масложировых продуктов, не содержащих транс-изомеров жирных кислот;

- исследование влияния ЭП в промышленных условиях на химический состав получаемых продуктов;

- разработка рецептур пластичных масложировых продуктов на основе ЭП-масел, отвечающих современным требованиям нутрициологии, и определение путей их эффективного использования в пищевой промышленности;

- исследования по применению масложировых продуктов энзимной переэтерификации со сбалансированным жирнокислотным составом в качестве шортенингов (хлебопекарных жиров) при производстве хлебобулочных изделий.

Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена роль ФП в процессе водной экстракции масла из масличного сырья, осуществляющих деструкцию биополимеров сырья и способствующих получению масел и протеинсодержащих продуктов высокого качества и безопасности. Показано, что БВЭ масла из подсолнечного сырья лучше всего осуществлять в присутствии ФП целлюлолитического действия, содержащего целлюлолитическую, гемицеллюлазную и пектолитическую активности. В случае соевых бобов для этих целей лучше использовать ФП комплексного действия, характеризующийся присутствием целлюлолитической, протеолитической и амилолитической активностей.

Установлена необходимость оптимизации таких показателей БВЭ, как рН и температура, влияющих как на активность ФП, так и на солюбилизацию компонентов масличного сырья, что способствует нарушению ассоциативных связей липидных глобул с компонентами клеточных стенок и повышает выход масла. Показано, что использование более активных ФП увеличивает выход масла при значительном снижении длительности процесса.

Выявлено отсутствие изменений в групповом и жирнокислотном составе масел, извлекаемых в процессе БВЭ по сравнению с маслами, извлекаемыми традиционными методами. Показано, что при длительности процесса менее двух часов в маслах, выделенных этим методом, сохраняется более высокое содержание токоферолов при более низких значениях перекисных чисел (ПЧ) по сравнению с маслами, выделенными экстракцией органическим растворителем, что свидетельствует о повышении их пищевой ценности.

Показано, что получаемые при БВЭ в присутствии целлюлолитических ФП из форпрессового подсолнечного жмыха протеинсодержащие продукты характеризуются пониженным содержанием клетчатки, липидов и повышенным содержанием фракции водорастворимых белков, что свидетельствует о повышении их пищевой ценности и сохранности. Установлено, что обработка подсолнечного жмыха после двухкратного прессования ФП целлюлолитического действия существенно снижает содержание в нем клетчатки и липидов, что позволяет увеличить его количество в рецептуре кормов.

Установлены требования к сырью для ЭП в промышленных условиях. Доказано, что присутствие первичных и вторичных продуктов окисления масел оказывает негативное воздействие на стабильность иммобилизованной липазы. Показано, что для достижения высокой эффективности процесса необходимо использовать рафинированные дезодорированные растительные масла, имеющие суммарное значение перекисного и анизидинового чисел (АЧ) не более 2,0.

Установлено, что при высоком количестве пальмового масла (не менее 60 %) в смеси после ее ЭП наблюдается снижение содержания твердых триацилглицеролов (ТТГ) и температуры плавления по сравнению с исходной смесью, что является положительным фактором для повышения усвояемости продукта. Выявлено, что переэтерификация способствует улучшению пластических свойств продукта за счет увеличения разнообразия среднецепочечных триацилглицеролов (ТАГ) и преобладания в переэтерифицированной смеси -кристаллической полиморфной формы.

Выявлено, что полученные на основе ЭП-масел пластичные масложировые продукты имеют сбалансированный жирнокислотный состав, характеризуются присутствием высокого количества природных токоферолов, практически не содержат транс-изомеров жирных кислот. Установлено, что они имеют высокую антиоксидантную емкость (АОЕ), характеризующую суммарное присутствие в них токоферолов, токоди- и триенолов, а также высокую относительную антиоксидантную активность (ОАА), характеризующую содержание в них веществ с антиоксидантной активностью различной природы. Показано, что произведенные с их использованием растительно-сливочные спреды имеют высокое содержание омега-3 жирных кислот и Е-витаминную активность, и на этом основании могут быть отнесены к специализированной пищевой продукции.

Установлено, что применение масложировых продуктов энзимной переэтерификации с учетом их состава в качестве хлебопекарных жиров при производстве хлебобулочных изделий из пшеничной муки при любом способе приготовления теста, независимо от рецептуры хлебобулочного изделия и качества муки позволяет улучшить показатели качества хлебобулочного изделия, продлить сроки его годности и повысить его пищевую ценность.

Теоретическая и практическая значимость работы. Определены и научно обоснованы пути создания инновационных технологий извлечения растительных масел и одновременного получения протеинсодержащих продуктов с использованием водной экстракции в присутствии ФП. Осуществлен выбор масличного сырья и ФП для БВЭ;

определены и оптимизированы параметры процесса, способствующие высокому выходу, сохранению качества и пищевой ценности масел и протеинсодержащих продуктов.

Разработана технология получения масла и протеинсодержащего продукта из семян подсолнечника, включающая стадию предварительного съема части масла форпрессованием и последующего извлечения оставшегося масла БВЭ. Показано, что степень извлечения масла, сопоставимая с традиционными технологиями, достигается при двухстадийной водной экстракции в присутствии ФП целлюлолитического действия, содержащего также не менее двух других активностей, гидролизующих некрахмальные полисахариды (Патент РФ № 2078797; заявка № 2012133750 от 07.08.2012). Получаемое масло характеризуется высоким содержанием токоферолов и низкими значениями ПЧ. Получаемый протеинсодержащий продукт включает белка до 49-56 % при содержании в нем фракции водорастворимых белков – 57-59%, количество клетчатки не превышает 5 %.

Разработана технология извлечения масла и белковых продуктов из бобов сои с использованием двухстадийной БВЭ. Предлагаемый процесс позволяет выделить до 90 % масла от его исходного содержания. Показано, что высокая степень извлечения масла из соевых бобов достигается при водной экстракции в присутствии ферментного препарата/композиции комплексного действия, содержащего целлюлолитическую, протеолитическую и амилолитическую активности. Большая часть масла выделяется в виде сметанообразной липид-белковой эмульсии следующего состава: 83-85% масла; 15-17% белка. Вследствие своей высокой устойчивости эмульсия может напрямую использоваться для производства различных эмульсионных продуктов, а также в качестве дополнительного источника полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК).

Разработан способ повышения пищевой ценности подсолнечного жмыха после двухкратного прессования, использующегося при производстве кормов, путем его обработки ФП целлюлолитического действия, позволяющий снизить содержание в нем клетчатки в раза, а также удалить липиды при сохранении белкового компонента. Разработаны способы утилизации сельскохозяйственных отходов, в том числе с применением ФП, предусматривающие получение пищевых волокон и белковых продуктов: Авторские свидетельства №1479552; №1629319 и патенты России №2114863; №2250026; №2275050.

Установлены допустимые пределы по показателям окислительной порчи исходных растительных масел для повышения эффективности процесса их ЭП в промышленных условиях. Подтверждена необходимость соблюдения международных технических норм и правил по хранению и транспортировке наливных грузов пищевых жиров и масел CAC/RCP 36-1987 (Rev.1-1999 Rev.2-2001, Rev.3-2005, Rev.4-2011), для их дальнейшего использования в качестве сырья для ЭП.

На основе ЭП-масел с учетом современных требований разработаны рецептуры пластичных масложировых продуктов, налажен их выпуск Калининградским комбинатом по переработке растительных масел под марками SDS М 01-23 и SDS М 02-46. Данные продукты имеют сбалансированный жирнокислотный состав с содержанием незаменимых полиненасыщенных жирных кислот семейств омега-3 и омега-6 в соотношении 1 : (1014), характеризуются присутствием токоферолов в количестве 48-60 мг токоферолацетата/100г, практически не содержат транс-изомеров жирных кислот. Установлены сроки и условия их хранения, позволяющие обеспечивать сохранение биологически активных веществ и высокое качество продукта. Показана возможность их использования для производства продуктов функционального и специализированного назначения, в частности спредов, с высоким содержанием омега-3 жирных кислот и Е-витаминной активностью. Показано, что при хранении спредов в холодильнике в течение двух месяцев практически не наблюдается потерь биологически активных веществ.

Проведена апробация разработанных масложировых продуктов в лабораторных условиях на базе кафедры «Технология хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств»

МГУПП и в промышленных условиях на базе ООО «Боско-Л» (г. Москва), ОАО «Серпуховхлеб» хлебозавод №2 (г. Серпухов) и ЗАО Хлебокомбинат «Пеко» (г. Москва) в качестве шортенингов при производстве различных сортов хлебобулочных изделий из пшеничной муки разного качества. Показано, что улучшающий эффект от использования разработанных масложировых продуктов энзимной переэтерификации связан с оптимальным содержанием в них ТТГ (кривая плавления аналогична молочному жиру) и преобладанием в них -полиморфных кристаллов, а также с их высокими антиоксидантными свойствами, способствующими замедлению окисления суммарной липидной фракции хлеба при его выпечке и хранении. Установлено, что внесение разработанных масложировых продуктов со сбалансированным жирнокислотным составом в концентрации 2,5 - 6,5 % наиболее оптимально сочетается с собственными липидами муки и позволяет получать хлебобулочные изделия с соотношением групп жирных кислот, приближенным к идеальному жиру, что повышает пищевую ценность липидной фракции хлеба.

Основные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся следующие положения:

1. экологичные технологии получения растительных масел и протеинсодержащих продуктов из масличного сырья с применением водной экстракции в присутствии ФП;

2. теоретическое и экспериментальное обоснование условий для извлечения растительных масел из семян подсолнечника и бобов сои методом БВЭ, исключающей использование пожароопасных органических растворителей;

3. технологические решения по получению растительных масел и протеинсодержащих продуктов высокого качества и безопасности;

4. совокупность экспериментальных данных по влиянию качества исходных растительных масел и условий их хранения на процесс ЭП в промышленных условиях с целью получения пластичных масложировых продуктов, не содержащих транс-изомеров жирных кислот, и изучению изменений химического состава переэтерифицированной смеси;

5. совокупность экспериментальных данных по разработке рецептур пластичных масложировых продуктов с учетом современных требований нутрициологии и их использование при производстве пищевых продуктов, включая хлеб и хлебобулочные изделия.

Личный вклад соискателя. Научное обоснование и постановка цели и задач исследования, организация, планирование и проведение эксперимента, обработка и обобщение результатов исследований, разработка новых технологий и технологических решений, подготовка результатов к опубликованию, участие в проведении производственных испытаний. Диссертационная работа является обобщением научных исследований, проведенных автором в качестве исполнителя и ответственного исполнителя госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, а также в ходе руководства и соруководства научной работой аспирантов, магистров, дипломников.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных результатов подтверждена применением современных физико-химических методов анализа, математической обработкой результатов экспериментов и промышленной апробацией.

Получены акты производственных испытаний на 4 предприятиях масложировой и хлебопекарной отраслей промышленности.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 3ья Всерос. научно-техническая конференция «Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация)» (Москва, 1988); Международная конференция «Экоресурсосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья» (Астрахань, 1993); Научно-техническая конференция «Масличные семена, масла, жиры: перспективы совершенствования техники и технологии производства и переработки»

(Санкт-Петербург,1993); Международная научно-техническая конференция «Прикладная биотехнология на пороге XXI в.» (Москва,1995); Международная конференция «Научнотехнический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК» (Москва,1995); Международная научно-техническая конференция «Пища. Экология. Человек» (Москва,1995, 2001);

Международная научно-техническая конференция, посвященная 65-летию МГАПП «Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК»

(Москва, 1996); Научно-практическая конференция «Прогрессивные, экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (Москва, 1999); Всероссийская конференция «Развитие масложирового комплекса России в условиях рыночной экономики» (Москва, 2000); Международная конференция «От фундаментальной науки к новым технологиям» (Москва–Тверь, 2001); Юбилейная международная научнопрактическая конференция «Пищевые продукты XXI века» (Москва, 2001); научнотехническая конференция «Технологии живых систем» (Москва, 2002); XI и XIII Всероссийский конгресс диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2009, 2011); Шестая Международная конференция «Масложировой комплекс России: новые аспекты развития» (Москва, 2010); Практическая конференция «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Минск, 2010); XI; XII; XIII Международный Форум «Пищевые ингредиенты XXI века» (Москва, 2010; 2011; 2013); Четвертая Международная конференция «Индустрия пищевых ингредиентов XXI века» (Москва, 2011); IX и X Международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2011, 2012); Международный хлебопекарный форум в рамках 17–ой и 18ой Международной выставки «Современное хлебопечение» (Москва 2011, 2012; 2013); VII Международный симпозиум «EU-Russia: cooperation in biotechnology, agriculture, forestry, fisheries & food» (Москва, 2012); Конференция «Использование электофизических методов исследования для производства и оценки качества пищевых продуктов» (С.-П., 2012); 8-ая Международная специализированная выставка «Хлебное и кондитерское дело – 2012»

(Минск, 2012).

Проект «Разработка технологии белковых препаратов с применением биокатализаторов на базе компьютерного проектирования, обеспечивающей повышение выхода и регулирование функциональных свойств белков» награжден дипломом Научно-технической конференции «Технологии живых систем» (Москва, 2002). Разработка жир специального назначения SDS М 01-23 награждена золотой медалью и дипломом 1 степени “За высокое качество продукции» Шестой Международной конференции «Масложировой комплекс России: новые аспекты развития» (Москва, 2010). Доклад «Жиры специального назначения – необходимая составляющая безопасности и качества пищевых продуктов» награжден дипломом в номинации «Лучший доклад» XII Международного Форума «Пищевые ингредиенты XXI века» (Москва, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 70 печатных работ, в том числе 25 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 монографии, 2 авторских свидетельства, патента и заявка на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, заключение, список использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 394 страницах основного текста, включающего 25 рисунков, 98 таблиц, и в 6 приложениях. Список литературы включает источников, в том числе 284 иностранных. Приложения содержат спецификации разработанных продуктов, акты производственных испытаний, патенты и авторские свидетельства, технические условия, органолептические характеристики хлебобулочных изделий с использованием масложировых продуктов энзимной переэтерификации.

Основные этапы работы выполнены на кафедре «Органическая, пищевая и биохимия»

Московского государственного университета пищевых производств. Отдельные разделы выполнялись в ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов, на кафедре «Технология хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств» МГУПП. Исследования по влиянию качества сырья на процесс ЭП и разработка рецептур масложировых продуктов на основе ЭП-масел производилась на базе Калининградского комбината по переработке растительных масел. Производственная выработка белого хлеба с использованием разработанных масложировых продуктов проводилась на базе ООО «Боско-Л» (г.Москва), ОАО «Серпуховхлеб» хлебозавод №2 (г.Серпухов), ЗАО Хлебокомбинат «Пеко» (г.Москва).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 Обзор литературы Анализ литературных данных в области извлечения и модификации растительных масел, а также изменившиеся требования к масложировым продуктам позволили выявить недостатки традиционных технологий, разработанных в прошлом веке, и необходимость создания новых экологичных технологий, позволяющих максимально снизить нагрузку на окружающую среду и содержание в масложировых продуктах ряда веществ, оказывающих негативное влияние на организм человека.

Огромное количество исследований в области получения и модификации растительных масел направлено на использование в этих процессах биокатализаторов, что свидетельствует о глубокой заинтересованности мирового сообщества в разработке новых технологий.

Приоритет в разработке биотехнологических подходов при извлечении растительных масел принадлежит российским ученым, в том числе с нашим участием. Однако нигде в мире эти разработки до сих пор не получили своего промышленного воплощения. Модификация масел методом ЭП внедрена в промышленность, и в мире уже работает 25 заводов по ЭП, в том числе в России. Для дальнейшего распространения этого безопасного метода модификации растительных масел необходимо продолжение исследований, как по отработке отдельных стадий процесса, включая требования к сырью, так и по использованию ЭПмасел при производстве пищевых продуктов, включая хлеб и хлебобулочные изделия.

2 Объекты и методы исследований Объектами исследований при разработке процесса БВЭ служили семена подсолнечника (масличность 58,6 %), форпрессовый жмых (липиды - 17,7-24,9 %, белок - 39,2-42,0 %, клетчатка - 12,7-13,8 %) и соевые бобы (липиды - 20,9 %, белок - 43,7 %, клетчатка - 7,6 %).

В качестве биокатализаторов использовались ФП гидролитического действия отечественного производства: Целловиридин Г10х и Г20х, Пектофоетидин П10х, Пектиназа П10х, Ксилоглюканофоетидин П10х, Мацерин Г10х, Протосубтилин Г10х, Глюкоаваморин Г20х, АП-субтилин, Амилосубтилин Г10х и др. В качестве биокатализатора для ЭП масел использовался препарат Lipozyme TL IM («Novozymes», Дания), сырьем являлись рафинированные дезодорированные пальмовое, пальмоядровое, соевое или рапсовое масла.

Объектами исследований для получения спредов и шортенингов для хлебобулочных изделий из пшеничной муки являлись разработанные нами масложировые продукты энзимной переэтерификации, выпускаемые в промышленных условиях Калининградским комбинатом по переработке растительных масел под торговыми марками SDS M 01-23 и SDS M 02-46.

Растительные масла выделяли из анализируемых объектов экстракцией гексаном в аппаратах Сокслетта. Липиды из муки и хлебобулочных изделий экстрагировали смесью хлороформ:метанол (2:1), из теста - по методу Фолча. Жирнокислотный состав масел и липидов определяли методом ГЖХ по ГОСТ 30418 – 96. Кислотное число (КЧ) определяли по ГОСТ Р 52110 – 2003; ПЧ по ГОСТ Р 51487 – 99; АЧ по ГОСТ Р 53099 – 2009 (ИСО 6885:2006); йодное число по ГОСТ 5475 – 69; огранолептические показатели по ГОСТ Р 52179 – 2003. Содержание ТТГ определяли методом пульсирующего ядерного магнитного резонанса на спектрометре фирмы «Bruker» (Германия) по ГОСТ Р 53158 – 2008. Анализ ТАГ по числу атомов углерода осуществляли методом высокотемпературной ГЖХ на хроматографе Shimadzu GC-2010 с пламенно-ионизационным детектором. Содержание токоферолов определяли методом ВЭЖХ согласно Р 4.1.1672-03 (Минздрав России).

Групповой состав липидов анализировали методом ТСХ в системе гексан:диэтиловый эфир:уксусная кислота (80:20:1).

Содержание клетчатки в продуктах переработки семян подсолнечника и соевых бобов определяли методом Кюршнера-Ганека, содержание белка по Къельдалю. Фракционный состав белковых веществ определяли по растворимости в различных растворителях (воде, 10% растворе хлорида натрия, 0,2% растворе гидроксида натрия). Степень извлечения масла устанавливали по разнице между содержанием масла в исходном масличном сырье и его содержанием в оставшемся шроте в абсолютном отношении.

Структурно-механические свойства сырой клейковины определяли на приборе ИДК-1.

Реологические свойства мякиша определяли на приборе Пенетрометр АП-4/1. Реологические свойства теста оценивали на приборе «Структурометр», эластичность теста – по показаниям фаринографа “Brabender”, газообразующая и газоудерживающая способность теста – по показаниям альвеографа “Chopin”. Органолептическая оценка качества хлеба осуществлялась сенсорным профильно-ранговым методом. Определение гидрофильных свойств мякиша хлеба проводили по методике Катца. Определение АОЕ и ОАА масложировых продуктов и липофильной фракции хлеба проводили в институте Биохимии им. А.Н.Баха РАН методом ТЕАС по отношению к катион-радикалу АБТС (диаммонийная соль 2-азинобис-(3-этилбензтиазолин-6-сульфоновой кислоты) и по реакции с тиобарбитуровой кислотой, соответственно.

Все опыты и измерения проводились не менее, чем в трехкратной повторности, обработку экспериментальных данных осуществляли методами математической статистики.

Общая схема организации исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема исследований 3.1 Разработка инновационных технологий извлечения растительных масел Технология извлечения растительных масел с применением неполярных органических растворителей, разработанная и внедренная в XX веке для основных масличных культур (подсолнечник, соя, рапс), позволила довести эффективность процесса до максимального уровня (остаточная масличность 1-2%). Широкое внедрение экстракционных методов по всему миру, а также последние научные исследования позволили выявить ряд недостатков этого метода. Во-первых, в ходе экстракции органическими растворителями происходит частичное окисление ПНЖК, имеющих огромную пищевую ценность. Во-вторых, необходимость тщательной рафинации и дезодорации экстракционного масла для удаления остатков растворителя приводит к снижению содержания в нем биологически активных веществ. В-третьих, потери растворителя в окружающую среду (0,4-1,2% от массы семян) вносят существенный вклад в ее загрязнение. Наиболее часто в качестве растворителя используется пожароопасный гексан, пары которого являются токсичными. Попадание в организм рабочих небольших количеств гексана (не более 15 ppm/сут.) за 3 месяца приводит к повреждению периферийной нервной системы. В-четвертых, остающийся при экстракционном способе шрот имеет низкую пищевую ценность из-за частичной денатурации белков, высокого содержания клетчатки и ряда нежелательных соединений, например фенольных кислот (кофеиновая, хлорогеновая). Кроме того, принципы, заложенные в традиционную технологию маслоизвлечения, ограничивают возможности по улучшению качества получаемых продуктов и снижению затрат на их производство.

Замена экстракции органическими растворителями на водную экстракцию позволяет избежать негативного влияния химического растворителя и высоких температур на биологически активные вещества масла и белковую составляющую семян. Несмотря на очевидные преимущества этой технологии, ее существенными недостатками являются:

высокая длительность процесса, что увеличивает вероятность микробного заражения; более низкая степень извлечения масла, что снижает эффективность процесса; высокое остаточное содержание липидов в белковом продукте, что создает проблемы при его хранении.

Повысить степень извлечения масла при водной экстракции возможно путем использования биокатализаторов. В 90-х годах XX века изучение возможности применения БВЭ для извлечения растительных масел было начато в России. К этому времени в мире имелись только единичные исследования в данном направлении. Работа носила пионерский характер и велась одновременно в Московском технологическом институте пищевой промышленности (ныне МГУПП) с нашим участием и Краснодарском филиале ВНИИЖ.

Результатом проведенных нами исследований явилась разработка новых технологий извлечения растительных масел, исключающих использование органических растворителей.

Выбор масличного сырья и биокатализаторов для БВЭ Правильный выбор масличного сырья необходим для повышения заинтересованности промышленности в последующем внедрении полученных разработок. Основным масличным сырьем в России является подсолнечник (82% от всех масличных культур; содержание масла 58-60 %), занимающий четвертое место в мировом производстве растительных масел.

Основным масличным сырьем в мире являются соевые бобы (содержание масла 20-21 %).

Исходя из важности подсолнечника для Российской Федерации и бобов сои в мировом производстве растительных масел, а также в связи с увеличением объемов площадей в РФ для выращивания соевых бобов, эти две масличные культуры были выбраны в качестве объекта исследований для разработки процесса БВЭ растительных масел.

Основу структуры растительных клеточных стенок составляет комплекс целлюлозы, гемицеллюлозы и пектиновых веществ, поэтому использование биокатализаторов, гидролизующих эти биополимеры, должно способствовать водной экстракции масел из масличного сырья. Учитывая содержание в масличном сырье белков, разрушение взаимодействия между липидами и белковыми веществами можно добиться за счёт частичного расщепления белка с применением протеаз. Гидролиз запасных углеводов (крахмал, глюкан), содержащихся в богатых липидами клетках и в пограничных тканях с низкой масличностью, также может способствовать извлечению масел. Исходя из этого, для интенсификации процесса водной экстракции масел в качестве биокатализаторов были рассмотрены ФП целлюлолитического, гемицеллюлазного, пектолитического, протеолитического и амилолитического действия, производимые отечественной промышленностью, чтобы исключить зависимость от импорта. Все препараты анализировались на отсутствие липазной активности. Предварительный скрининг ФП проводился без оптимизации параметров процесса (использовались рН и температура, рекомендованные заводом-производителем ФП).

Наилучшие результаты по извлечению масел из семян подсолнечника и соевых бобов в неоптимизированных условиях были получены с применением ФП, гидролизующих некрахмальные полисахариды, с преобладанием в них целлюлолитической активности, а также ФП протеолитического действия. Выход масла составил 47 – 60 % от его исходного содержания в сырье. С учетом гидролиза протеазами белкового компонента сырья и возможности его потерь в процессе БВЭ масел, предпочтение было отдано ФП целюлолитического действия, включающему также гемицеллюлазную и пектолитическую активности. В случае соевых бобов максимальный выход масла был достигнут при использовании ФП комплексного действия, содержащего целлюлолитическую (в т.ч. глюканазную), протеолитическую и амилолитическую активности, также включенного в исследование.

При разработке новых технологий извлечения растительных масел необходимо было определить основные параметры процесса и провести их оптимизацию. На извлечение масла в процессе БВЭ оказывает влияние способ подготовки сырья, а также такие параметры процесса, как гидромодуль, рН водного раствора, температура экстракции, концентрация выбранного ФП и длительность процесса. Оптимизация этих параметров должна способствовать повышению процента извлекаемого масла, а также эффективности всего процесса.

Подготовка масличного сырья Любой процесс извлечения растительных масел начинается со стадии подготовки масличного сырья.

а) Подсолнечник. Форпрессование является первой стадией при получении масла из семян подсолнечника независимо от применяемой на российских предприятиях общей схемы процесса. Форпрессовое масло имеет хорошие качественные показатели и характеризуется высоким содержанием токоферолов и каротиноидов. Удаление части масла также повышает эффективность воздействия биокатализаторов за счет уменьшения экранирующего эффекта масел. Поэтому решено было проводить предварительный съем части масла форпрессованием. Наумовой Т.Л. (1994) было показано, что использование ПАВ (натриевой соли оксиэтилоктадецилсукцината со степенью оксиэтилирования 20 или натриевой соли «Оксиянта») на стадии влаготепловой обработки мятки подсолнечника позволяет повысить выход масла на стадии форпрессования. Внесение этих ПАВ позволяет также использовать более мягкие режимы влаго-тепловой обработки (табл.1), что должно способствовать сохранению белкового компонента семян подсолнечника.

Таблица 1 – Влияние температуры и времени влаготепловой обработки в присутствии 0,1 % ПАВ на выход масла и масличность форпрессового жмыха условия влаготепловой обработки Оптимизацию параметров БВЭ далее осуществляли с использованием измельченного подсолнечного жмыха после форпрессования.

б) Соевые бобы. В случае соевых бобов, содержащих почти в 3 раза меньше масла по сравнению с семенами подсолнечника, для извлечения масла применяется экстракционный способ. При замене экстракции органическими растворителями на БВЭ для эффективного действия биокатализатора большое значение имеет степень измельчения сырья. Высокая степень измельчения способствует увеличению доступной для атаки биокатализатора поверхности, но, с другой стороны, при высоком содержании белка в сырье при водной экстракции может образовываться стабильная эмульсия. Образованию эмульсии может способствовать низкий гидромодуль процесса. Совместно с сотрудниками ВНИИЖ (г.С.Петербург) было изучено влияние степени измельчения соевых бобов (0,14-0,8 мм) при различных гидромодулях процесса (6:1 12:1; мл/г) на выход масла при БВЭ (рис.2).

Рисунок 2 – Влияние степени измельчения соевых бобов и гидромодуля процесса на извлечение масла при БВЭ Процесс водной экстракции осуществляли в присутствии АП-субтилина – ФП комплексного действия, содержащего целлюлолитическую, протеолитическую и амилолитическую активности, при рН – 5,8±0,1; температуре 50±1С в течение 2 часов.

Наибольший процент извлечения масла был отмечен при степени измельчения соевых бобов 0,8 мм и гидромодуле (8-10):1 (мл/г).

Оптимизация значений рН и температуры процесса В исследованиях процессов водной экстракции масел без применения биокатализаторов было показано, что рН водного раствора и температура экстракции влияют на степень высвобождения масла из масличного сырья. Однако с применением в этом процессе биокатализаторов многие исследователи стали использовать значения рН и температуры, рекомендуемые фирмой-производителем ФП. С нашей точки зрения при БВЭ на степень извлечения масла способны оказывать влияние, как гидролиз компонентов сырья биокатализатором, так и их солюбилизация при определенных значениях рН и температуры.

Поэтому было исследовано влияние этих параметров на выход масла в процессе экстракции.

В случае семян подсолнечника использовался ФП целлюлолитического действия – Целловиридин Г20х, содержащий также гемицеллюлазную и пектолитическую активности.

Для целлюлаз оптимум их действия лежит в слабокислой зоне рН (5,5-6,5) в температурном интервале 40-50 С. Исследование влияния рН и температуры на извлечение масла из форпрессового жмыха в присутствии этого ФП (гидромодуль 4:1 мл/г; 3 ч) позволило установить, что оптимальными являются рН 7,5±0,3 и температура 40 С (рис.3). Подобные результаты были также получены при оптимизации гидролиза подсолнечного жмыха после двухкратного прессования с целью снижения содержания в нем клетчатки с применением этого ФП: рН – 7,3±0,1; температура – 45 С.

Рисунок 3 – Зависимость степени извлечения масла из форпрессового подсолнечного жмыха от pH и температуры БВЭ В случае водной экстракции масла из соевых бобов в присутствии этого же ФП (гидромодуль 8:1 мл/г; 2 ч) также были установлены два оптимума рН – 5,5 и 8,5 (рис. 4).

Однако наибольший выход масла наблюдался при рН 8,5 и температуре 55 С. Сдвиг оптимального значения рН в щелочную зону связан с влиянием этого параметра на солюбилизацию белкового компонента сырья.

Исследование влияния значений рН на извлечение масла из соевых бобов методом водной экстракции в присутствии ФП комплексного действия, содержащего целлюлолитическую, протеолитическую и амилолитическую активности, также показало наличие двух оптимумов – 5,5 и 8,0. Однако выход масла при рН 8,0 был несколько выше. Это еще раз подтверждает влияние солюбилизации белкового компонента при определенных значениях рН на процесс извлечения масла из соевых бобов (рис.5; табл.2).

Рисунок 4 – Зависимость степени извлечения Рисунок 5 – Зависимость степени масла из соевых бобов от pH и температуры извлечения масла из соевых бобов от pH в в присутствии ФП целлюлолитического присутствии ФП комплексного действия Уточнение температурного оптимума при рН 8,0 показало, что он в данном случае совпадает с рекомендуемым для этого ФП и составляет 50 °С (табл.2).

Таблица 2 – Влияние температуры на извлечение масла из соевых бобов (рН=8,0) Проведенные исследования подтверждают необходимость оптимизации значений рН и температуры процесса БВЭ для каждого вида масличного сырья и используемого биокатализатора с целью достижения максимальной эффективности процесса.

Разработка технологии извлечения масла из семян подсолнечника с применением БВЭ Оптимизация гидромодуля, продолжительности процесса и концентрации ФП При оптимальных значениях рН и температуры БВЭ степень извлечения масла зависит также от гидромодуля, продолжительности процесса и концентрации вносимого биокатализатора. Эти параметры процесса являются взаимосвязанными, поэтому исследование их влияния осуществлялось путем постановки серий двухуровневых планфакторных экспериментов с двумя и тремя переменными с последующей математической обработкой результатов и анализом математического уравнения процесса. К моменту начала исследований в РФ выпускались целлюлолитические ФП степени очистки 10х, что соответствовало содержанию в них общей целлюлолитической активности 700-1000 ед.

АФБ/г. Для устранения возможных побочных эффектов нами был получен более активный препарат путем диализа промышленно выпускаемого препарата. Полученный препарат имел целлюлолитическую активность 1500-2000 ед.АФБ/г. Анализируемые параметры были исследованы в следующих диапазонах: продолжительность процесса экстракции – от 1 до часов; гидромодуль – от 1:1 до 9:1 мл/г; концентрация биокатализатора – от 0,07 до 1,2 ед.

общей целлюлолитической активности на 1 г сырья.

В результате проведенных исследований было установлено, что при правильно выбранном биокатализаторе продолжительность экстракции не будет превышать двух часов.

Оптимальным был признан гидромодуль 3:15:1 мл/г. Снижение гидромодуля менее 3:1 мл/г существенно уменьшало выход масла при экстракции, вероятно, за счет ингибирования ферментов продуктами реакции, а также экранирования ими субстрата при низком разбавлении среды. Повышение гидромодуля более 5:1 мл/г не приводило к дальнейшему увеличению степени извлечения масла. Использование ФП целлюлолитического действия, вносимого из расчета 0,07-0,5 ед. АФБ /г сырья, приводило к выходу масла 60-70 % за два часа экстракции.

В процессе скрининга ФП самый высокий выход масла для семян подсолнечника был отмечен при использовании щелочной протеазы (Протосубтилин Г10х). Поэтому для дальнейшего повышения степени извлечения масла была рассмотрена возможность использования этого ФП в сочетании с выбранным ранее ФП целлюлолитического действия.

В результате проведенных план-факторных экспериментов по оптимизации был достигнут выход масла 70 % за 1 час экстракции при использовании обоих ФП, вносимых из расчета 0,15 ед. общей целлюлолитической активности и 0,02 ед. протеолитической активности на г сырья. Для уточнения эффективности использования одного или двух ферментных препаратов был проведен эксперимент в одинаковых условиях: рН – 7,5; температура – С; гидромодуль – 4:1 мл/г; продолжительность – 1 час. Сравнение полученных результатов показало, что дополнительное использование щелочной протеазы в процессе водной экстракции масла из форпрессового жмыха позволяет увеличить выход масла только на 1, % при практически одинаковой остаточной масличности шрота (табл.3). При этом использование щелочной протеазы повышает потери массы жмыха за счет гидролиза белков и снижения их содержания в шроте на 5 %.

Таблица 3 – Эффективность извлечения масла при водной экстракции из подсолнечного жмыха в присутствии одного и двух ФП целлюлолитический – целлюлолитический протеаза (0,02 ед.) На основании полученных результатов сделан вывод о целесообразности использования при водной экстракции масла из подсолнечного форпрессового жмыха только одного ФП целлюлолитического действия, выбранного ранее, и содержащего не менее двух других активностей, гидролизующих некрахмальные полисахариды сырья.

Длительность процесса является важным показателем с точки зрения экономической эффективности процесса. Для сокращения продолжительности БВЭ была исследована ее динамика в оптимальных условиях: температура – 40 °С; рН – 7,5; гидромодуль – 4:1 мл/г.

ФП целлюлолитического действия с разной активностью вносился из расчета 0,15 ед.АФБ на 1 г сырья (рис.6). Установлено, что при использовании более активного препарата (не менее 1500 ед. АФБ/г) всего за 10-15 мин достигается степень извлечения масла около 90% при остаточной масличности шрота не более 4 %. Увеличение времени процесса приводит к снижению степени извлечения масла, вероятно за счет повышения вязкости среды в процессе гидролиза некрахмальных полисахаридов, что снижает коалесценцию капелек масла в водной среде.

Рисунок 6 – Динамика процесса извлечения масла из подсолнечного жмыха в присутствии биокатализатора целлюлолитического действия с разной активностью Использование менее активного ФП (700-750 ед. АФБ/г) при внесении одинакового количества единиц целлюлолитической активности на 1 г сырья приводило к извлечению % масла за 60 минут. Таким образом, использование более активного ФП позволяло повысить процент извлечения масла при существенном сокращении длительности процесса, что улучшает экономику процесса и снижает вероятность микробного загрязнения.

Исследование физико-химических показателей подсолнечного масла и протеинсодержащего остатка, полученных по новой технологии Исследование жирнокислотного и группового составов подсолнечного масла, выделенного БВЭ, показало отсутствие отличий от масел, полученных традиционными методами (табл.4). При этом по сравнению с экстракцией органическими растворителями в масле, выделенном методом БВЭ при продолжительности процесса менее двух часов, сохранялось высокое содержание токоферолов при более низких значениях ПЧ, что свидетельствует о повышении его пищевой ценности. Отмечено также снижение содержания фосфатидов (фракция полярных липидов), что предполагает достаточность только физической рафинации извлекаемого методом БВЭ масла.

Таблица 4 – Физико-химические показатели подсолнечного масла, полученного разными способами Содержание основных ЖК, %:

Содержание основных групп липидов,%:

Содержание токоферолов, Исследование химического состава протеинсодержащего остатка показало, что использование целлюлолитического ФП способствует снижению содержания клетчатки в раза при увеличении содержания белка, что важно для повышения его усвояемости. Низкое остаточное количество масла (менее 5%) будет способствовать лучшей сохранности протеинсодержащего остатка (табл.5).

Таблица 5 – Химический состав жмыхов до и после биокаталитической обработки двукратного после биокаталитической Анализ фракций белковых веществ в протеинсодержащем остатке до и после БВЭ свидетельствует о повышении его пищевой ценности за счет увеличения в 6 раз содержания водорастворимых белков и снижения в 2 раза содержания нерастворимого остатка (табл.6).

Таблица 6 – Содержание фракций белковых веществ в подсолнечном форпрессовом жмыхе до и после БВЭ (N-6,25),% растворимая растворимая растворимая остаток Низкое содержание клетчатки и высокое содержание белка в получаемом продукте свидетельствует о возможности его использования не только в рецептуре кормов, но и в качестве источника серосодержащих аминокислот при производстве пищевых продуктов.

Совершенствование новой технологии получения подсолнечного масла Для промышленного внедрения новой технологии необходимо обеспечить сопоставимость достигаемой степени извлечения масла с традиционной технологией. Для дальнейшего повышения эффективности процесса был внесен ряд изменений в технологическую схему. С целью повышения выхода масла, решено было провести дополнительную стадию водной экстракции. С учетом того, что за непродолжительное время экстракции (15 мин) биокатализатор не успевает потерять свою активность, решено было водную фракцию с биокатализатором, полученную после первой стадии экстракции при центрифугировании реакционной смеси, использовать повторно на второй стадии экстракции. Такой технологический прием снизить расход ФП, расход воды и солей для приготовления буферного раствора, и тем самым улучшить экономическую составляющую процесса. Как видно из приведенных данных выход масла в этом случае практически был таким же, как при использовании свежей порции ФП, и достигал 95 % (табл.7).

Таблица 7 – Влияние одно- и двухстадийной БВЭ на выход масла из подсолнечного жмыха после форпрессования сырья Белки, высвобождающиеся в процессе водной экстракции масла, могут проявлять эмульгирующие свойства, поэтому важно снизить их растворимость, что зависит как от рН среды, так и от присутствия солей. Хлорид натрия является пищевой солью и поэтому использование его растворов для получения пищевого масла не имеет ограничений.

Твердый остаток, полученный после второй стадии водной экстракции, дополнительно промывался 5-10% раствором хлорида натрия при температуре 50-80 °С. Промывные воды, содержащие некоторое количество масла, объединялись с суспензией после водной экстракции перед центрифугированием, что способствовало снижению потерь масла.

В результате проведенных комплексных исследований разработана технология извлечения масла из семян подсолнечника методом водной экстракции с применением биокатализаторов, принципиальная схема которой представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Принципиальная схема получения масла и протеинсодержащего продукта из семян подсолнечника с применением БВЭ Процесс предусматривает предварительный съем части масла на стадии форпрессования в присутствии ПАВ. Возможно, также осуществление предварительного съема части масла холодным прессованием или методом А.И. Скипина. Последующее выделение оставшегося масла проводится методом двухстадийной БВЭ с повторным использованием на второй стадии процесса биокатализатора с первой стадии. Полученный твердый остаток промывается не менее двух раз 5-10 % раствором хлорида натрия для уменьшения потерь масла. После каждой стадии суспензия разделяется центрифугированием на трехфазных центрифугах декантирующего типа с получением масла, водной фракции и протеинсодержащего остатка. Высокая эффективность процесса достигается в присутствии ФП целлюлолитического действия, вносимого из расчета 0,1-0,5 ед. общей целлюлолитической активности на 1 г сырья, содержащего также гемицеллюлазные и пектолитические активности. В качестве ФП может быть использован Целловиридин Г20х.

Степень извлечения масла достигает 97 %, а остаточная масличность шрота составляет 3- %, что сопоставимо с извлечением масла с применением органических растворителей.

Извлекаемое масло имеет состав и характеристики, сходные с маслом после форпрессования, поэтому к нему применима такая же схема очистки. Дополнительно получаемый протеинсодержащий продукт характеризуется содержанием белка 49-52%, фракции водорастворимых белков – 57-59 %, и содержанием клетчатки – не более 5-6%.

Разработанная технология имеет высокую степень готовности для ее апробации в полупромышленных условиях. Новизна полученных результатов защищена Патентом РФ № 2078797. На усовершенствованный способ извлечения масла и протеинсодержащего продукта подана заявка № 2012133750 от 07.08.2012. Разработаны технические условия получения подсолнечного масла методом БВЭ.

Разработка технологии извлечения масла из бобов сои с применением БВЭ При разработке технологии извлечения масла из бобов сои водной экстракцией с применением биокатализаторов были использованы основные принципы и подходы, определенные ранее при разработке технологии получения масла из семян подсолнечника.

Более низкая масличность соевых бобов позволяет сразу извлекать из них масло БВЭ без предварительного съема части масла.

При скрининге ФП для процесса БВЭ масла из соевых бобов наилучшие результаты были получены с препаратом целлюлолитического действия, содержащим также гемицеллюлазную и пектолитическую активности (Целловиридин Г20х), а также препаратом комплексного действия, содержащим целлюлолитическую, протеолитическую и амилолитическую активности (АП-субтилин). После оптимизации степени измельчения соевых бобов, гидромодуля, а также рН и температуры процесса в присутствии этих ФП была проведена дальнейшая оптимизация взаимосвязанных параметров процесса (гидромодуля, продолжительности процесса, концентрации вносимого ФП) путем постановки серии двухуровневых план-факторных экспериментов с последующей математической обработкой результатов.

В результате проведенных исследований было установлено, что в случае использования ФП комплексного действия (или мультэнзимной композиции) оптимальным является его внесение из расчета 0,5-1,0 ед. общей целлюлолитической активности (АФБ), 0,05-0,1 ед.

протеолитической активности, 0,5-1,0 ед. амилолитической активности на 1 г сырья.

Исследование динамики процесса в оптимальных условиях показало, что достаточным является 30 минут экстракции (рис.8). Выход масла при этом превышает 65%.

В случае использования ФП целлюлолитического действия (1700 ед. АФБ/г) наилучшие результаты получены при его концентрациях 0,1 и 0,05 %, что соответствовало 1,7 ед. и 0, ед. АФБ на 1 г сырья. Исследование динамики процесса в оптимальных условиях с внесением ФП при обеих концентрациях показало, что достаточным является 45 минут экстракции. При концентрации ФП 0,05 % выход масла превышает 62 % (рис.9).

Рисунок 8 – Динамика процесса экстракции Рисунок 9 – Динамика процесса экстракции масла из соевых бобов с ФП комплексного масла из соевых бобов с ФП Для повышения степени извлечения масла решено было провести БВЭ в две стадии.

Исследована возможность использования обоих ФП в установленных для них оптимальных концентрациях. Проведенные исследования показали, что наивысший процент извлечения масла отмечен при использовании ФП комплексного действия на обеих стадиях водной экстракции (табл.8). Применение одного и того же ФП позволяет повторно его использовать на второй стадии процесса.

Таблица 8 – Извлечение масла из соевых бобов при проведении процесса в две стадии Ферментный препарат Ферментный препарат целлюлолитического действия 45 комплексного действия 30 78, комплексного действия 30 целлюлолитического действия 45 80, Исследование жирнокислотного и группового составов масел, извлекаемых из соевых бобов экстракцией гексаном и БВЭ, показало их практически полную идентичность (табл.9).

Следует отметить только, что при БВЭ продолжительностью не более двух часов, значение ПЧ получаемого масла было несколько ниже, чем при экстракции гексаном.

Принципиальная схема технологии извлечения масла из соевых бобов с применением биокатализаторов представлена на рис.10.

Разработанный процесс предусматривает измельчение соевых бобов с последующей экстракцией масла методом двухстадийной БВЭ с повторным использованием на второй стадии процесса биокатализатора с первой стадии. Полученный твердый остаток промывается не менее двух раз 5-10% раствором хлорида натрия для уменьшения потерь масла. Высокая эффективность процесса достигается в присутствии ФП, сочетающего в себе наличие целлюлолитической, протеолитической и амилолитической активностей, вносимых, соответственно, из расчета 0,5-1,0 ед., 0,05-0,1 ед. и 0,5-1,0 ед. основной активности на 1 г бобов. В качестве ФП может быть использован АП-субтилин.

Таблица 9 – Физико-химические показатели соевого масла, полученного разными способами Содержание основных ЖК, %:

Предлагаемый процесс позволяет выделить до 90 % масла от его исходного содержания. В отличие от форпрессового подсолнечного жмыха, масло из соевых бобов выделялось в виде устойчивой эмульсии. Исследование состава эмульсии показало, что она содержит 83-85% масла и 15-17% белка. Дестабилизация эмульсии различными способами (термическими методами, изменением рН) показала ее высокую устойчивость. С нашей точки зрения целесообразным является дальнейшее использование натуральной липид-белковой эмульсии, обладающей собственной стабилизационной системой, для производства различных эмульсионных продуктов, а также в качестве источника полиненасыщенных жирных кислот семейств омега-3 и омега-6.

Белковый продукт выделяется из водной фракции осаждением в изоэлектрической точке (рН 4,0-4,5). Остающийся при этой технологии шрот содержит 27-31 % белка и может быть использован либо для дополнительного выделения белков методом щелочной экстракции, либо для кормовых целей.

В результате проведенных исследований разработаны инновационные процессы извлечения масел и получения белковых/протеинсодержащих продуктов из семян подсолнечника и соевых бобов, исключающие использование органических растворителей, позволяющие повысить качество получаемых масел и белковых продуктов. Сохранение биологически активных веществ в растительных маслах, извлекаемых методом БВЭ, и более низкие значения ПЧ, позволяют повысить пищевую ценность масел и рассматривать их в качестве сырья для производства масложировых продуктов премиум-класса, а также продуктов здорового питания.

Рисунок 10 – Принципиальная схема получения масла/эмульсионного продукта и белковых продуктов из соевых бобов с применением БВЭ сельскохозяйственных отходов Основные принципы и подходы, использованные при создании технологий извлечения растительных масел и получения протеинсодержащих продуктов методом водной экстракции с применением биокатализаторов, могут быть также эффективны при разработке способов повышения пищевой ценности побочных продуктов маслодобывающей отрасли и сельскохозяйственных отходов.

Одной из схем выделения масла из семян подсолнечника является двухкратное прессование. Остающийся при этом жмых имеет масличность 8-10 % и используется в сельском хозяйстве для приготовления комбикормов. Однако его содержание в рецептуре комбикормов в 2-2,5 раза ниже, чем зерновых. Это обусловлено наличием в жмыхе высоких количеств клетчатки (13-15 %), выступающей в качестве энтеросорбента и снижающей пищевую ценность жмыха. Обработка жмыха целлюлолитическими ФП позволит снизить содержание в нем клетчатки при сохранении в целостности белкового компонента.

Для повышения пищевой ценности подсолнечного жмыха после двухкратного прессования решено было провести его обработку целлюлолитическим ФП – Целловиридин Г20х, использованным для извлечения масла методом БВЭ из семян подсолнечника. Путем постановки серий двухуровневых план-факторных экспериментов были оптимизированы все параметры процесса. Показано, что достаточным является использование гидромодуля 3:15:1 мл/г. Температура и рН обработки составляли 45 °С и 7,3 соответственно; ФП вносился из расчета 0,02 ед. АФБ на 1 г сырья. Продемонстрирована возможность замены буфера водопроводной водой (рН 7,2) для снижения себестоимости процесса. Исследование динамики процесса в оптимальных условиях показало, что достаточным является время обработки 60 мин (рис.11).

Рисунок 11 – Динамика ферментативной обработки жмыха после двухкратного прессования Исследование химического состава твердого остатка, полученного после ферментативной обработки, показало снижение содержания в нем клетчатки почти в 2 раза при сохранении белкового компонента, что повышает его пищевую ценность. Практически полное отсутствие в нем липидов способствует повышению сроков его годности (табл.5).

Рассмотрено использование ФП при переработке различных сельскохозяйственных отходов. При получении пшеничной и ржаной муки остаются отруби, содержащие 15-18 % белка. Совместно с д.т.н., проф. Колпаковой В.В. разработаны способы получения белковых продуктов из пшеничных и ржаных отрубей с применением ФП, гидролизующих некрахмальные полисахариды, и их последующей очистки (Патент РФ № 2250026; Патент РФ № 2275050), позволившие повысить извлечение белка из отрубей до 94-97 % от их исходного содержания. Полученные белковые продукты могут дальше использоваться при производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий для повышения их пищевой ценности. Совместно с коллективом ПНИЛ «Биотехнологии пищевых продуктов» МГУПП разработаны эффективные способы делигнификации и выделения гемицеллюлозных полимеров из пшеничной соломы и стержней кукурузных початков, в том числе с использованием электрохимически обработанных растворов азотнокислого калия (Авт.св. № 1479522; Авт.св. №1629319; Патент РФ № 2114863). Полученные препараты гемицеллюлоз могут быть далее использованы в качестве пищевых волокон или загустителей при производстве пищевых продуктов.

3.2 Энзимная переэтерификация растительных масел, разработка масложировых продуктов на их основе и их использование в пищевой промышленности Растительные масла, выделенные БВЭ, могут быть использованы, как непосредственно в пищу, так и в качестве сырья при получении масложировых продуктов для пищевой промышленности. При производстве масложировых продуктов с пластичной консистенцией используются различные методы их модификации, совершенствование этих методов является важным для повышения качества и безопасности конечных продуктов. В XX веке основным методом модификации растительных масел являлась технология гидрогенизации, позволившая создать на основе гидрированных жиров целый ряд эмульсионных продуктов широко используемых в различных областях пищевой промышленности. Несмотря на очевидные преимущества гидрированных масел и продуктов на их основе (невысокая стоимость при высокой технологичности), со временем медиками и нутрициолагами был выявлен ряд серьезных недостатков. Во-первых, в процессе частичной гидрогенизации образуются транс-изомеры ненасыщенных жирных кислот. В настоящее время на основании доказанного вредного воздействия транс-изомеров на здоровье человека ФАО/ВОЗ рекомендовано снизить их потребление менее 1% от суточной калорийности дневного рациона. Согласно принятому Техническому регламенту Таможенного союза на масложировую продукцию (ТР ТС 024/2011, решение Комиссии ТС № 883 от 9 декабря 2011) к 2018 году содержание транс-изомеров в масложировых продуктах для пищевой промышленности не должно превышать 2% от содержания жира в продукте. Во-вторых, в качестве катализатора в процессах гидрогенизации чаще всего используется никель, остаточные количества которого вследствие его токсичности могут также оказывать негативное воздействие на здоровье человека. В-третьих, при высоких температурах процесса происходит разрушение биологически активных веществ растительных масел.

Перечисленные недостатки привели к необходимости разработки альтернативных методов модификации масел. Одним из таких методов является переэтерификация. Она не связана с изменением степени насыщенности растительных масел, а поэтому не приводит к образованию транс-изомеров жирных кислот. В зависимости от катализатора различают химическую и энзимную переэтерификацию (ЭП). Современным безопасным экологичным способом модификации растительных масел, позволяющим получать пластичные масложировые продукты с высокими технологическими и качественными характеристиками, не содержащие транс-изомеров жирных кислот, является ЭП.

Для промышленности этот процесс достаточно молодой. В России первый реактор запущен в 2006 г на ЗАО «Жировой комбинат» (г. Саратов), а крупнотоннажное производство – в 2009 г на Калининградском комбинате по переработке растительных масел.

Благодаря этому в России появились отечественные масложировые продукты энзимной переэтерификации. Это стимулировало проведение исследований по использованию ЭПмасел в различных отраслях пищевой промышленности.

На процесс ЭП в промышленных условиях оказывают влияние многие факторы, способные снижать активность липазы, поэтому их изучение является необходимым для повышения эффективности процесса. Большое влияние на протекание процесса оказывает качество исходного сырья, что обуславливает необходимость разработки требований к сырью для ЭП. Исследование на данном этапе проводились на Калининградском комбинате по переработке растительных масел с участием коллектива комбината.

Исследование влияния качества исходных растительных масел на протекание процесса ЭП в промышленных условиях Процесс ЭП на комбинате осуществляется в непрерывных условиях с использованием серии из пяти проточных реакторов колонного типа (рис.12).

Рисунок 12 – Схема соединения серии реакторов непрерывного действия В качестве ФП используется иммобилизованная липаза специфического действия, выпускаемая компанией «Novozymes» под торговой маркой Lipozyme TL IM.

Иммобилизованный препарат ограничен решеткой реактора и не попадает в конечный продукт. В качестве основного сырья для ЭП с целью получения масложировых продуктов с пластичной консистенцией при комнатной температуре, не содержащих транс-изомеров жирных кислот, использованы пальмовое и пальмоядровое масла и их фракции, рекомендованные ФАО/ВОЗ для замены гидрированных масел. В качестве источника ПНЖК – соевое или рапсовое масла.

Исследовалось влияние основных показателей, определяющих качество сырья и характеризующих его окислительную порчу, ПЧ и АЧ, на стабильность иммобилизованной липазы (рис.13). Стабильность фермента оценивалась по количеству масла (кг), прошедшему через 1 кг ФП и приведшему к снижению его активности в 2 раза (V). Проведенные исследования позволили установить наличие экспоненциальной зависимости этой величины от суммарного значения ПЧ и АЧ исходной смеси масел.

Рисунок 13 – Влияние степени окисленности (ПЧ+АЧ) исходной смеси масел на стабильность фермента при ЭП Показано, что для достижения высокой эффективности процесса ЭП в промышленных условиях необходимо использовать рафинированные дезодорированные растительные масла, имеющие суммарное значение ПЧ и АЧ не более 2,0.

Изучение влияния условий хранения пальмового масла рафинированного дезодорированного на изменение показателей его качества На показатели качества и безопасности растительных масел, используемых в процессе ЭП, значительное влияние оказывают условия их хранения и транспортирования. Одним из основных видов сырья для производства пластичных масложировых продуктов является пальмовое масло. Поэтому пальмовое масло рафинированное дезодорированное (ПЧ – 0, ммоля акт. кислорода/кг; КЧ – 0,06 мг КОН/г; АЧ – 1,2 ; вкус и запах - чистые, свойственные обезличенному маслу) было выбрано в качестве объекта исследований. Исследования проводились совместно с лабораторией химии пищевых продуктов ФГБУ «НИИ питания»

РАМН.

Хранение масла осуществлялось в следующих условиях: в емкостях из низкоуглеродистой стали при нерегулируемой температуре, что допускается российским законодательством; в запаянных полиэтиленовых пакетах при температуре не выше 20 °С; в емкостях из нержавеющей стали под наслоением азота при температуре 40±1 °С (рекомендации Комиссии Codex Alimentarius: CAC/RCP 36-1987, REV. 1-1999, REV. 2-2001, REV. 3-2005, REV. 4-2011) в условиях Калининградского комбината. Проведенные исследования показали, что при хранении масла в емкостях из низкоуглеродистой стали наибольшим изменениям был подвержен показатель ПЧ, зависимость носит параболический характер (рис.14).

Рисунок 14 – Изменение ПЧ в процессе хранения пальмового масла в различных условиях После двух месяцев хранения ПЧ превысило 1,0 ммоль акт. кислорода/кг и далее увеличивалось каждый месяц на 1,3. После 9 месяцев хранения его значение превысило 10,0.

Пальмовое масло с ПЧ более 1,0 ммоля акт. кислорода/кг (после двух месяцев хранения) характеризовалось появлением слабого постороннего вкуса и запаха, не свойственных обезличенному жиру. С увеличением ПЧ посторонний вкус (прогорклый) и запах (несвежего масла) усиливались. АЧ изменялось в меньшей степени, после четырех месяцев хранения оно равнялось 1,4. Скачок наблюдался после 9 месяцев хранения, на 10-11 месяц оно достигло 2,9. КЧ в процессе хранения увеличилось незначительно с 0,06 до 0,17 мг КОН/г.

Так как в первые месяцы хранения АЧ и КЧ изменялись в меньшей степени, чем ПЧ, то можно сделать вывод о том, что изменение органолептических показателей пальмового масла в этот период в большей степени было связано с увеличением значения ПЧ.

Хранение масла в полиэтиленовых пакетах при температуре не более 20 °С не привело к значительным изменениям исследуемых показателей в течение 8 месяцев. Показатели безопасности масла, хранившегося в емкостях из нержавеющей стали под наслоением азота, практически не изменились в течение года. Таким образом, для пальмового масла, предназначенного для ЭП, его хранение и перевозка должна осуществляться в емкостях из нержавеющей стали под наслоением азота или в запаянных полимерных пакетах при температуре до 20 °С.

На основании проведенных исследований рекомендовано в качестве сырья для ЭП использовать растительные масла с ПЧ – не более 0,9 ммоль акт. кислорода /кг; АЧ – не более 1,2; при сумме этих чисел – не более 2,0; КЧ – не более 0,2 мг КОН/г. В случае превышения этих значений в процессе транспортирования или хранения растительных масел, рафинированные дезодорированные масла должны подвергаться доочистке перед ЭП.

Исследование влияния ЭП растительных масел на химический состав получаемого продукта Переэтерификация смесей растительных масел изменяет их химический состав. При получении пластичных масложировых продуктов с использованием пальмового и пальмоядрового масел при ЭП наблюдается снижение содержания в смеси ТТГ (рис.15). Это приводит к снижению температуры плавления смеси с 34 С до 30 С, что улучшает органолептические свойства получаемого масложирового продукта и способствует его усвоению.

Рисунок 15 – Зависимость содержания ТТГ от температуры для смеси растительных масел до и после энзимной переэтерификации Переэтерификация также улучшает пластические свойства продукта за счет увеличения разнообразия ТАГ со средней длиной цепи (рис.16) и преобладания в переэтерифицированной смеси -кристаллической полиморфной формы (99,9 %).

Мелкокристаллическая тонкоигольчатая структура этой полиморфной формы улучшает взбиваемость и газоудерживающие свойства масложирового продукта.

Рисунок 16 – Распределение ТАГ по числу атомов углерода в переэтерифицированной смеси Разработка масложировых продуктов на основе энзимно переэтерифицированной смеси растительных масел При разработке полезных масложировых продуктов нутрициологами рекомендуется соблюдать баланс между различными группами жирных кислот, обеспечивать присутствие ПНЖК, в особенности семейства омега-3, дефицит которых наблюдается в питании россиян, а также токоферолов, фитостеринов и других биологически активных веществ. В масложировых продуктах здорового питания также должны отсутствовать факторы, способные спровоцировать развитие алиментарно-зависимых заболеваний, в первую очередь, такие как транс-изомеры жирных кислот и пероксидные радикалы. Их присутствие способствует развитию сердечно-сосудистых, онкологических и целого ряда других заболеваний, и может полностью нивелировать полезное действие биологически активных веществ.

ФБГУ «НИИ питания» РАМН разработан ГОСТ Р 53796 – 2010, учитывающий мировые тенденции по созданию пластичных масложировых продуктов со сбалансированным составом. С учетом требований этого стандарта на основе ЭП-масел совместно с отделом разработок Корпорации «СОЮЗ» разработаны рецептуры двух масложировых продуктов с температурой плавления до 36 °С. Калининградским комбинатом налажено их промышленное производство под торговыми марками SDS M 01-23 и M 02-46 (табл. 10).

Содержание жира в этих продуктах составляет не менее 99,9 % при содержании ТАГ более 98 %. Наличие омега-3 жирных кислот (не менее 1,2 г на 100 г) позволяет рассматривать их в качестве источника этих кислот согласно Техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 022/2011 «Пищевая продукция в части ее маркировки». Использование технологии ЭП позволяет сохранить большинство исходных токоферолов, что обуславливает высокую АОЕ и ОАА этих продуктов. Продукт SDS М01-23 содержит менее 1 % транс-изомеров жирных кислот и поэтому может быть отнесен к масложировым продуктам категории «trans free»

(свободный от транс-изомеров).

На рисунке 16 представлены зависимости содержания ТТГ в разработанных продуктах от температуры. Кривые ТТГ обоих продуктов близки к кривой ТТГ молочного жира, что обусловило их успешное использование при производстве молокосодержащих продуктов, спредов, кремов на растительных маслах, в качестве начиночных жиров для кондитерских и мучных кондитерских изделий.

Таблица 10 – Показатели качества и безопасности масложировых продуктов энзимной переэтерификации (МП-ЭП) 7 Содержание токоферолов, Рисунок 16 – Зависимость содержания ТТГ от температуры для молочного жира и МП-ЭП Для установления сроков годности были проведены исследования по хранению промышленно выпущенных масложировых продуктов, упакованных в картонные короба с полимерными пакетами-вкладышами при температуре не выше 20 °С (табл. 11). Показано, что соблюдение целостности упаковки и условий хранения не приводит к ухудшению показателей их качества и безопасности в течение 8 месяцев. Данные условия хранения отражены в нормативной документации. Снижение температур хранения менее 10°С позволяет увеличить сроки годности продукции более года.

Таблица 11 – Изменение органолептических и физико-химических показателей МП-ЭП в процессе хранения Масложировой продукт SDS М 01-23, не содержащий транс-изомеров жирных кислот, был использован для получения растительно-сливочных спредов жирностью 70 % с заменой молочного жира в жировой фазе спреда на 60, 70 и 80 %. Полученные образцы спредов имели однородную плотную консистенцию без выделения влаги и хорошие вкусовые характеристики (не менее 9 баллов). Замена молочного жира позволила уменьшить в спредах по сравнению со сливочным маслом с аналогичной жирностью содержание насыщенных жирных кислот (НЖК) и транс-изомеров жирных кислот (ТЖК), и увеличить содержание мононенасыщенных жирных кислот (МНЖК) и ПНЖК (табл.12).

Таблица 12 – Содержание основных групп жирных кислот, токоферолов, ПЧ жировой фазы растительно-сливочных спредов жирностью 70 % Кроме того спреды характеризовались высоким содержанием омега-3 жирных кислот (более 0,7 г/100г) и токоферолов (28-35 мг токоферолацетата/100 г). Это позволяет с одноразовой порцией спреда (15 мг) употребить 0,1 г -линоленовой кислоты или 25 % от ее рекомендуемого ФАО/ВОЗ минимального потребления; и 4,2 мг витамина Е или 28 % от его рекомендуемой ФБГУ НИИ Питания РАМН суточной нормы (МР 2.3.1.2432).

Образцы спредов, сформированные в виде брикетов по 180 г, завернутые в пергамент, хранились при температуре 3±2 °С и относительной влажности воздуха не более 90 % (в холодильнике) в течении 60 суток. Проведенные в конце срока хранения анализы показали, что жирнокислотный состав спредов практически не претерпел изменений (табл.12).

Суммарное содержание ПНЖК уменьшилось на 3-5 %, содержание токоферолов (в пересчете на токоферолацетат) – менее, чем на 4 %. Проведенные исследования демонстрируют высокую устойчивость спредов, произведенных с использованием МП-ЭП, к окислению.

Сохранению ПНЖК, в том числе и семейства омега-3, способствовали токоферолы исходного соевого и пальмового масел, а также токодиенолы и токотриенолы, присутствующие в пальмовом масле, подтвержденные высокими значениями АОЕ и ОАА, и низкие значения ПЧ в исследуемых образцах спредов.

Таким образом, благодаря своим характеристикам разработанные МП-ЭП могут быть рекомендованы для производства масложировых продуктов функционального и специализированного назначения. Для расширения области применения разработанных МПЭП представляет интерес получение новых данных по их поведению в различных технологических процессах. Одним из таких процессов является хлебопечение.

Использование МП-ЭП в качестве шортенингов при производстве хлебобулочных изделий из пшеничной муки Исследования на этом этапе проводились совместно с кафедрой «Технология хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств» МГУПП. Ранее на этой кафедре было исследовано использование МП-ЭП (ЗАО «Жировой комбинат», г. Саратов), содержащего более 22 % моно- и диацилглицеролов и 11 % свободных жирных кислот, при производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий. Улучшающий эффект от внесения этого продукта во многом определялся содержанием в нем перечисленных компонентов. Изучение влияния масложировых продуктов, состоящих только из ТАГ (98%), на процессы приготовления теста и качество готового хлеба должно будет дать однозначное заключение о преимуществах использования МП-ЭП при приготовлении хлеба.

Исследования влияния МП-ЭП на качество хлебобулочных изделий Название «шортенинги» используют для определенных групп пластичных масложировых продуктов (не содержат влаги), применяемых в хлебопечении и вносимых в количестве 2- % от массы муки. Поэтому нами были выбраны стандартные рецептуры хлебобулочных изделий с содержанием жира 2,5-6,5 % и минимальным количеством сырьевых компонентов (мука, соль, сахар, жировой продукт, дрожжи, вода): батон подмосковный и батон столовый по ГОСТ 27844 – 88; хлебобулочное изделие с пшеничными отрубями; булочка диетическая по ГОСТ 25832 – 89 (замена сахара сорбитом). Рассмотрены различные способы приготовления теста: опарный (1,0% дрожжей); безопарный (2,5% дрожжей; брожение мин); безопарный с сокращенным периодом брожения (3,0 % дрожжей; брожение 90 мин).

Для сравнительного анализа было рассмотрено также внесение маргарина столового МТ (МТ: 82 % жира; Тпл-45 °С); сливочного масла (СМ: 82,5 % жира; Тпл-34 °С); молочного жира (МЖ: 99,8 % жира; Тпл-34 °С); подсолнечного (ПМ) и пальмового (ПаМ: Тпл-38 °С) масел рафинированных дезодорированных. Проведенные исследования показали, что при всех способах приготовления теста и всех исследуемых концентрациях внесение МП-ЭП приводило к более высоким показателям качества хлеба, чем использование других масложировых продуктов как с жидкой, так и с твердой при комнатной температуре консистенцией (табл.13-16).

приготовленного различными способами по рецептуре батона подмосковного Наименование показателей Таблица 14 – Влияние жировых продуктов на качество хлеба, приготовленного из пшеничной муки с отрубями («Докторская») безопарным способом Наименование показателей качества хлеба жирового продукта Таблица 15 – Влияние жировых продуктов на качество хлеба, приготовленного из пшеничной муки высшего сорта безопарным способом по рецептуре батона столового Наименование показателей качества хлеба жирового продукта Таблица 16 – Влияние жировых продуктов на качество хлеба, приготовленного из пшеничной муки высшего сорта безопарным способом по рецептуре булочки диетической Наименование показателей качества хлеба Улучшение качества хлеба отмечалось как при использовании пшеничной муки с сильной клейковиной, так и с удовлетворительно слабой (мука «Докторская» с пшеничными отрубями), а также при замене сахара сорбитом (булочка диетическая). При этом наблюдаемое улучшение качественных характеристик хлеба не было связано с использованием эмульгаторов или улучшителей (отсутствуют в рецептуре разработанных масложировых продуктов). Наибольшее относительное увеличение исследуемых показателей отмечалось при безопарных способах приготовления теста (табл.13).

Исследование реологических свойств теста показало, что во всех случаях внесение МПЭП способствовало увеличению газоудерживающей способности теста на 5 % по сравнению с контролем, повышало эластичность теста на 20-50 %, особенно в случае пшеничной муки со слабой клейковиной, снижало его адгезионноое напряжение. Наблюдаемые изменения были выше, чем при использовании остальных жировых продуктов, и приводили в конечном итоге к повышению пористости хлебобулочного изделия и увеличению его объема.

Внесение МП-ЭП улучшало органолептические показатели качества хлеба: вкус, аромат, равномерность окраски корки и мякиша, разжевываемость и эластичность мякиша (Рис.17).

Рисунок 17 – Органолептические показатели качества хлеба, приготовленного с различными жировыми продуктами Эффективность использования МП-ЭП была подтверждена при проведении промышленных выработок различных сортов хлеба с внесением их в количестве 2,5 - 6,5 % от массы муки на ООО «Боско-Л» (г.Москва); ОАО «Серпуховхлеб» хлебозавод № (г.Серпухов); ЗАО Хлебокомбинат «Пеко» (г. Москва). Во всех случаях отмечено образование мякиша с хорошей пористостью и высокими упруго-эластичными свойствами.

Исследование влияния МП-ЭП на качественные характеристики пшеничного хлеба в процессе его хранения Известно, что шортенинги улучшают качество хлеба при его хранении. Представляло интерес исследовать влияние на этот процесс МП-ЭП в сравнении с другими масложировыми продуктами. Хранение хлеба осуществлялось в полиэтиленовых пакетах при комнатной температуре. Показано, что во всех случаях использование МП-ЭП в количестве 2,5-6,5% повышало гидрофильные свойства мякиша (набухаемость) и снижало его крошковатость по сравнению с контролем в большей степени, чем другие масложировые продукты. Так через 96 часов хранения хлеба из пшеничной муки с отрубями гидрофильные свойства мякиша были выше на 33-43 %, крошковатость ниже на 31 % по сравнению с контролем (табл.17).

Таблица 17 – Изменение реологических и гидрофильных свойств мякиша хлеба в процессе хранения в зависимости от вида вносимого жирового продукта (2,5%) Показатели качества хлеба Влияние МП-ЭП на качественные показатели на всех стадиях приготовления хлеба хорошо согласуется с гипотетическим механизмом взаимодействия структурных компонентов теста/хлеба, представленным в работе Brooke [1996], и обусловлено, как определенным содержанием ТТГ при различных температурах, так и преобладанием в них кристаллов в -полиморфной модификации, мелкокристаллическое тонкоигольчатое строение которых увеличивает поверхность взаимодействия МП-ЭП с остальными компонентами теста/хлеба. Содержание ТТГ зависит от разрабатываемой рецептуры, а преобладание - кристаллов обеспечивается в процессе ЭП. Так как оба МП-ЭП имели зависимость содержания ТТГ от температуры аналогичную молочному жиру (рис.16), то этот критерий может быть использован в качестве определяющего при разработке рецептур шортенингов для хлебобулочных изделий.

Исследование изменений в показателях безопасности липидной фракции хлеба в процессе его приготовления и хранения Помимо содержания ТТГ и определенной полиморфной модификации твердой фракции, на свойства шортенингов также оказывает влияние их устойчивость к окислению. Проведенные исследования показали, что разработанные продукты МП-ЭП за счет низких исходных значений ПЧ и АЧ и сохранения токоферолов (табл.10) обеспечивали поддержание высоких АОЕ и ОАА суммарной липидной фракции хлеба и замедление ее окисления в процессах его выпечки и хранения (рис.18 а-д).

Рисунок 18 – Изменения в ПЧ; КЧ липидов в процессе приготовления теста и хранения хлеба из муки «Докторская» а) без жирового продукта; б) с 2,5% подсолнечного масла; в) с 3,0% сливочного масла; г) с 2,5% SDS М 01-23; д) с 2,5% SDS М 02-46. Обозначения: М – мука; ТЗ – тесто после замеса; ТБ – тесто после брожения; Х1; Х3; Х5 – хлеб после выпечки через 16-18 ч; 72 ч и 120 ч, соответственно.

Внесение МП-ЭП позволило снизить ПЧ липидной фракции хлеба по сравнению с контролем с 30-40 до 8-9 ммоль активного кислорода/кг при 2,5 % жирового продукта от массы муки и до 6-7 ммоль активного кислорода/кг при 6,5 % жирового продукта от массы муки. Эти значения были ниже, чем при использовании подсолнечного и сливочного масел в качестве хлебопекарных жиров. Значения КЧ во всех случаях снижались при внесении масложировых продуктов практически в одинаковой степени (с 20 до 12-13 мг КОН/г).

В процессах метаболизма масел и жиров, в том числе входящих в состав пищевого продукта, большую роль играет соотношение различных групп жирных кислот и баланс омега-3 и омега-6 жирных кислот. Анализ липидов, выделенных из готового хлеба с добавлением различных жировых продуктов, показал, что соотношение НЖК:МНЖК:ПНЖК, близкое к оптимальному, наблюдается при внесении МП-ЭП в количестве 2,5% и составляет (1,3-1,4):1:1 при балансе омега-6:омега-3 равном (13-14): (табл.18). Следовательно, в этой концентрации разработанные масложировые продукты лучше всего сочетаются с собственными липидами муки. Использование природных масел и жиров не позволяет получать таких соотношений.

Таблица 18 – Содержание основных групп жирных кислот в пшеничном хлебе с внесением различных масложировых продуктов.

Показатель Масложировой продукт, вносимый в хлеб НЖК:МНЖК:ПНЖК 0,5:1:2,5 2,6:1:0,9 3,3:1:0,4 1,4:1:1 1,8:1:0,6 1,3:1:1 1,8:1:0, Таким образом, использование разработанных в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 53796 МП-ЭП в концентрации 2,5 – 6,5 % не только улучшает качество хлебобулочных изделий, но и наиболее оптимально сочетается с собственными липидами муки.

Сбалансированность жирнокислотного состава и отсутствие опасных контаминантов (трансизомеров жирных кислот и пероксидных радикалов) позволяет рекомендовать разработанные МП-ЭП для производства хлебобулочных изделий функционального, например хлеб с пищевыми волокнами, и специализированного назначения, например булочка диетическая.

Проведенные исследования по использованию МП-ЭП со сбалансированным жирнокислотным составом при производстве пищевых продуктов свидетельствуют об их преимуществах, как с технологической точки зрения, так и с точки зрения повышения усвояемости и пищевой ценности готовых продуктов. Наличие омега-3 жирных кислот и Евитаминной активности, а также отсутствие транс-изомеров жирных кислот позволяет рекомендовать их для использования при производстве продуктов здорового питания и специализированного назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено комплексное исследование, включающее разработку технологий получения растительных масел и протеинсодержащих продуктов с применением БВЭ, совершенствование процесса ЭП масел и разработку рецептур масложировых продуктов на их основе с учетом современных рекомендаций по их составу для производства различных пищевых продуктов, включая хлеб и хлебобулочные изделия, а также продукты специализированного назначения. Широкое внедрение инновационных технологий позволит вывести отечественную масложировую промышленность на качественно новый уровень и улучшить состояние окружающей среды.

Итоги выполненных исследований представлены в следующих выводах: