Научное обоснование технологий функциональных продуктов питания с использованием растительных сапонинов

Для определения влияния степени измельчения корней на скорость удаления из них влаги использовали корни длиной 5, 10 и 15 мм. Процесс удаления влаги, независимо от размера корней, состоял из трех основных периодов. Первый период сушки - период постоянной скорости, характеризовался интенсивным поверхностным испарением свободной влаги с постоянной скоростью уменьшения влажности. Этот период продолжался до достижения критической влажности, начиная с которой наблюдалось снижение скорости обезвоживания - период падающей скорости. Обезвоживание прекращалось при достижении сырьем равновесной влажности, определяющей его способность удерживать влагу. В естественных условиях сушки равновесная влажность корней S. оfficinalis составляет 8,5%, что соответствует требованиям влажности сушенного лекарственного сырья (10%). Время достижения критической влажности в зависимости от размера корней варьировало от 64 до 86 час. и продолжительность сушки увеличивалась с 116 до 128 час для корней размером 5 и 15 мм соответственно.

В результате эксперимента установлено, что для полного удаления влаги из мелких корней требовалось меньше времени, увеличение их длины существенно не влияло на продолжительность процесса сушки. Этот экспериментальный факт подтверждает наши расчетные данные о незначительном влиянии размера корней на суммарную поверхность контакта с воздухом.

Сушка корней мыльнянки в естественных условиях малопроизводительна, так как требует больших производственных площадей и длительного времени. При этом следует учитывать влияние погодных условий на стабильность процесса и на показатели качества высушиваемого сырья. В связи с этим, при обработке небольшой партии корней S. оfficinalis и в целях экономии энергии возможно использование процесса сушки в естественных условиях. Однако при переработке больших объемов корней в течение короткого периода времени требуется использование сушильных установок с более интенсивным процессом сушки.

Сушка конвективным методом. Сушку корней S. оfficinalis длиной 5 мм. методом активного вентилирования проводили на модернизированной установке конвективного типа «Конвекс-1» модели 28/220, позволяющей создавать переменную температуру воздуха - 60, 80 и 120єС, и плавно регулировать скорости потока в режимах 1,09, 1,26 и 1,45 м/с. Высота насыпного слоя сырья не превышала 10 мм. При этом температура мокрого и сухого термометра на каждом режиме температур находилась в интервалах от 24 до 46єС в зависимости от скорости подачи сушильного агента.

Для определения рациональных условий получения сухих корней S. officinalis в условиях данной установки было изучено влияние вышеназванных параметров на продолжительность процесса сушки. Кривые сушки корней имели характерный вид - периоды постоянной и падающей скорости, продолжительность которых зависела от температуры сушильного агента (рисунок 13).

A B C

Рисунок 13 Динамика скорости сушки корней S. officinalis в зависимости от мощности нагревательных элементов и скорости сушильного агента. А - 1,09м/с; В - 1,26м/с; С - 1,45м/с.

Сравнение графиков кинетики сушки свидетельствует о том, что увеличение температуры сушильного агента оказывало гораздо большее влияние на скорость сушки, чем повышение скорости подачи воздуха в указанных пределах. Так, повышение температуры сушильного агента до 120єС позволяет в 3 раза сократить продолжительность сушки, в то время, как увеличение скорости движения воздуха с 1,1 до 1,26 м/с - всего в 1,5 раза. Следовательно, для данной сушильной установки целесообразно выбирать режим сушки при максимальной температуре сушильного агента 120єС и скорости подачи воздуха 1,26 м/с.

Сушка в кипящем слое (закрученный поток). В экспериментальной установке слой корней мыльнянки S. officinalis длиной 5 мм. подвергался энергичному перемешиванию со скоростью 20 м/с, что способствовало лучшему его обтеканию сушильным агентом, при этом минимальный температурный градиент (40^оС) не вызывал его перегрева. Сушку осуществляли при двух режимах сушильного агента - при температуре сухого термометра 60 и 100^оС. При этом температура мокрого термометра составляла 26,0 и 37,0^оС соответственно.

Рисунок 14 Динамика скорости сушки корней S. officinalis в кипящем слое при разных температурах сушильного агента

Динамика сушки корней S. officinalis, представленная на рисунке 14, указывает на значительное сокращение времени сушки при использовании данного метода. Продолжительность сушки корней до влажности 10% по ГОСТу составляет 20 - 40 мин в зависимости от температурного режима. Использование второго температурного режима позволяет практически в два раза сократить время сушки. Кривые сушки имеют линейный характер без явно выраженного второго периода - периода падающей скорости.

Следовательно, за счет энергичного гидродинамического перемешивания отдача корнями влаги происходит с постоянной скоростью и постоянной температурой (26,0 и 37,0^оС), которая не превышает рекомендуемых значений для сушки растительного сырья, содержащего гликозиды. Короткое время сушки и отсутствие перегрева корней является основным преимуществом данного метода.

Влияние способов сушки на функциональные свойства экстрактов. Влияние различных видов сушки на качество сухих корней S. officinalis определяли по функциональным свойствам, полученных из них экстрактов. С этой целью изучали пенообразующую и эмульгирующую способность экстрактов с массовой долей растворимых сухих веществ 7% (таблица 3).

Таблица 3

Влияние способов сушки на функциональные свойства экстрактов

Пс - пенообразующая способность; Уп - устойчивость пены; ТИ - точка инверсии; Сэ - устойчивость эмульсии; Эс - соотношение водной и жировой фаз.

Таким образом выявлено, что для получения экстрактов с высокими функциональными свойствами желательно проводить сушку корней в условиях кипящего слоя. Малая продолжительность процесса и низкая температура позволяет сохранить функциональные свойства сапонинов на высоком уровне. Высушенные в естественных условиях корни имели самые низкие показатели активности, что обусловлено, по-видимому, частичной ферментативной деградацией сапонинов в процессе сушки. В силу больших энергетических затрат в условиях сушки в кипящем слое, сушку корней можно проводить конвективным методом, поскольку функциональная активность экстрактов остается на высоком уровне.

Исследование диффузионных процессов при получении экстракта корней S. оfficinalis. Для достижения наиболее полного и качественного извлечения сапонинов из корней S officinalis было исследовано влияние двух способов экстрагирования - процесса настаивания при повышенной температуре и динамической батарейной экстракции, на функциональные параметры экстрактов.

Получение экстракта методом настаивания при повышенной температуре (варка). С целью выбора рациональных режимов варки было определено влияние основных параметров диффузионного процесса - размеров корней, величины гидромодуля и продолжительности экстрагирования, на эффективность экстракции. Поскольку выход экстрактивных веществ зависит от физиологического состояния корня, был исследован процесс экстрагирования влажных (влажность 64%) и сухих (влажность 6,12%) корней S. оfficinalis.

Для оценки эффективности процесса экстрагирования в зависимости от вышеназванных показателей определяли массовую долю растворимых сухих веществ с учетом влажности корней от величины гидромодуля и степени измельчения (рисунок 15).

Рисунок 15 Выход растворимых сухих веществ из корней в зависимости от степени их измельчения и величины гидромодуля (М). Белые символы - влажные корни; черные символы - сухие корни

Доказано, что в экстрактах, независимо от степени влажности корней, проявляются одинаковые тенденции в накоплении растворимых сухих веществ. Максимальный выход экстрактивных веществ наблюдается при измельчении корней до 5 мм, что, по-видимому, объясняется увеличением площади контакта сырья с экстрагентом.

В результате эксперимента установлены рациональные параметры экстракции - для сухих корней целесообразно проводить экстрагирование в течение 3 час при гидромодуле 1:8 (из них 0,5 час - на набухание), при этом выход экстрактивных веществ с учетом исходной влажности составил 19,5% от массы сухого корня. Для влажных корней оптимальное значение гидромодуля составляет 1:6, продолжительность процесса - 2 часа, выход экстрактивных веществ - 22%,.

Функциональные свойства экстрактов. Химический анализ экстрактивных веществ показал, что физиологическое состояние корней существенно влияет на выход сапонинов, а соответственно на пенообразующую способность и эмульгирующую активность полученных экстрактов (таблица 4). При экстрагировании сухих корней наблюдался высокий выход сапонинов (70-72%) независимо от степени их измельчения, что обуславливало способность всех экстрактов образовывать обильную пену и устойчивую эмульсию. Выход сапонинов из влажных корней был существенно ниже и составил 50-24% в зависимости от их размеров. Более полное извлечение сапонинов (65,9%) может быть достигнуто только после сильного размельчения влажных корней - разрезания их до 5 мм с последующим вальцеванием.

Таблица 4

Массовая доля сапонинов и функциональные свойства экстрактов в зависимости от физиологического состояния корней S. officinalis

В- влажные корни; С- сухие корни; Пс - пенообразующая способность; Уп - устойчивость пены; ТИ - точка инверсии; Сэ - устойчивость эмульсии. Массовая доля растворимых сухих веществ в экстрактах - 5%. Влажные корни размером 5 мм дополнительно вальцованы.

Низкую функциональную активность экстрактов вследствие малого содержания в них сапонинов, по-видимому, можно объяснить особенностями процесса их извлечения из влажных (живых) и сухих клеток корней. В живой растительной клетке пристенный слой протоплазмы клеточной стенки является полупроницаемой перегородкой и затрудняет выход из клетки веществ, растворенных в клеточном соке, в том числе и сапонинов. В результате обезвоживания (сушки) клетка погибает, и протоплазма клеточной стенки приобретает свойства пористой перегородки, процесс извлечение через которую носит характер диффузии. Наличие пористой перегородки снижает скорость диффузии и избирательно пропускает вещества, не превышающие определенных размеров.

Проведенные исследования показали, что для получения экстракта корней S. officinalis с высокими функциональными свойствами наиболее рационально осуществлять процесс экстрагирования сухих корней. Если же имеются условия для непосредственной переработки влажных корней в местах произрастания, то для получения экстракта с высоким содержанием сапонинов требуется размельчение корней до мелкой стружки.

Получение экстрактов методом батарейного экстрагирования. В предварительном эксперименте определяли необходимое количество экстракций для полного извлечения экстрактивных веществ из корней S. officinalis. Для этой цели проводили последовательное трехкратное экстрагирование набухших корней (замачивание при гидромодуле 1:3 в течение 30 мин при 90єС). Экстрагирование проводили в течение 10 мин при 100єС при перемешивании корней, используя значение оптимального гидромодуля 1:8. Количество экстрагента рассчитывали с учетом влаги, потраченной на набухание корней. Полноту и качество экстрагирования определяли по массовой доле растворимых сухих веществ, химическому составу и функциональным свойствам экстрактов (таблица 5).

Таблица 5

Химический состав и функциональные свойства экстрактов, полученных путем 3-х кратного последовательного экстрагирования корней S. officinalis

Пс - пенообразующая способность, У_п - устойчивость пены, ТИ - точка инверсии, Сэ - устойчивость эмульсии. Массовая доля растворимых сухих веществ в экстрактах- 5%.

Установлено, что с увеличением числа экстракций помимо снижения массовой доли растворимых сухих веществ от 5 до 0,4%, существенно изменяется химический состав и функциональные свойства экстрактов. Наиболее оптимальным по содержанию сапонинов (69,6%), по способности образовывать обильную пену и устойчивую эмульсию с высокой эмульгирующей способностью является 1-ый экстракт (таблица 5).

Для батарейного экстрагирования корней S. оfficinalis использовали пять батарей, заполненных одинаковым количеством предварительно замоченных корней. Общий гидромодуль с учетом замачивания составлял 1:8. Оставшееся после замачивания количество экстрагента заливали в первую батарею и проводили экстракцию корней при температуре 95єС в течение 10 мин при перемешивании. Полученный экстракт направляли поочередно в последующие батареи и проводили экстракцию в аналогичном режиме. Перемешивание, постоянно поддерживающее разницу концентраций экстрактивных веществ в сырье и пограничном диффузионном слое, позволило получить в первой батарее экстракт с массовой долей растворимых сухих веществ 5%. В экстрактах каждой последующей батареи эта величина возрастала на 1%, достигая максимального значения 9%. Общий суммарный выход 1-ой фракции составлял 38,4%, суммарное время экстрагирования с учетом времени замачивания - 80 мин, выход экстрактивных веществ - 32,7% от массы сухого корня. Второй процесс экстракции (2 фракция) проводился аналогично, При этом конечная массовая доля растворимых сухих веществ в суммарном экстракте составила 5%, выход экстракта - 35%, общее время экстрагирования - 50 мин.

Низкое содержание сапонинов и высокое содержание полисахаридов обуславливают слабые функциональные свойства третьего экстракта. Таким образом, полученные данные позволяют считать двукратную экстракцию наиболее предпочтительной при использовании метода батарейного экстрагирования. Дальнейший процесс обработки корней экономически нецелесообразен.

Таблица 6

Сравнительная характеристика экстрактов, полученных методом батарейной экстракции, их смеси (1:1 по объему) и экстракта, полученного методом настаивания

Пс - пенообразующая способность; Уп - устойчивость пены; Эс - эмульгирующая способность; ТИ - точка инверсии; Сэ - стойкость эмульсии.

Полученный в процессе 1-го извлечения экстракт (1 фракция), отличается высоким содержанием сапонинов (почти 73%) и низким содержанием полисахаридов (около 5%), что обуславливает его высокие функциональные свойства (таблица 6). В процессе повторного извлечения функциональные свойства экстракта значительно ухудшаются за счет снижения доли сапонинов (до 43 %) и увеличения доли полисахаридов (до 21 %), что не позволяет использовать его в качестве высокоэффективного эмульгатора. Однако смешанные в равных объемных долях фракции имеют высокие показатели пенообразующих способностей и эмульгирующей активности, поэтому первую фракцию экстракта можно использовать в качестве эмульгатора высшего сорта. Для повышения качества второго экстракта можно рекомендовать смешивание экстрактов в равных соотношениях. Низкое содержание сапонинов и высокое содержание полисахаридов обуславливают слабые функциональные свойства третьего экстракта, что позволяет сделать вывод о применении двукратной экстракции при использовании метода батарейного экстрагирования, так как дальнейший процесс обработки корней экономически нецелесообразен.

Сравнительный анализ показал, что первая фракция, полученная методом батарейной экстракции имеет существенное преимущество перед экстрактом, полученным методом настаивания, как по выходу экстрактивных веществ в расчете на массу сухого корня, так и по качественным показателям функциональной активности. Так, использование батарейного экстрагирования позволяет извлечь в 1,7 раз больше экстрактивных веществ (32,7%) из одного и того же количества сырья по сравнению с методом настаивания (19%). Другим преимуществом батарейной экстракции является сокращение продолжительности процесса практически в два раза (с 240 до 80 мин). Сокращение времени воздействия высокой температуры оказывает положительное влияние и на качественный состав экстрактов.

Как показали результаты исследований с использованием метода ВЭЖХ, широко применяемым в настоящее время для характеристики и анализа сапонинов, 1 фракция отличалась меньшей гетерогенностью, поскольку представляла собой смесь 5-ти основных гомологов различной степени полярности. Появление дополнительных пиков на кривых элюирования экстракта, полученного методом настаивания, свидетельствовало о частичном разрушении сапонинов в условиях их выделения.

Метод батарейного экстрагирования может быть использован для получения более концентрированных экстрактов с заданной массовой долей растворимых сухих веществ, путем увеличения числа батарей. Этот метод экстрагирования корней S. officinalis позволил сконцентрировать полученный экстракт до содержания массовой доли растворимых сухих веществ 22%.

Концентрирование экстрактов методом нанофильтрации. Мембранная технология позволяет концентрировать растительные экстракты в условиях низких температур, что обеспечивает максимальное сохранение исходных свойств природных компонентов. Для концентрирования водных экстрактов S. officinalis был использован метод ультрафильтрации - нанофильтрация с использованием мембран с минимальным размером пор 5-10 Е (0,5-1 нм) (установка ROCS-5, Россия). Поскольку основным критерием успешного концентрирования является величина используемого давления, то было исследовано влияние величины этого параметра на степень концентрирования экстракта S. officinalis, полученного методом батарейного экстрагирования. Для этой цели определяли массу, плотность и массовую долю растворимых сухих веществ в оставшемся концентрате в зависимости от прилагаемого давления 4,7; 5,2 и 5,3 кг/см² (таблица 7).

Таблица 7

Влияние величины прилагаемого давления на степень концентрирования экстракта корней S. officinalis при нанофильтрации

Установлено, что концентрирование при давлении 5,2 кг/см² в течение 62 мин приводит к получению концентрата с массовой долей растворимых сухих веществ 26%, в то время, как увеличение давления до 5,3 кг/см² при той же продолжительности процесса позволяет сконцентрировать экстракт до массовой доли растворимых сухих веществ почти 50%.

Однако, концентрированные экстракты корней S. officinalis имели высокую плотность и вязкость (рисунок 16), причем значительное увеличение этих параметров наблюдалось при содержании массовой доли растворимых сухих веществ -30%. В связи с этим, концентрирование экстрактов свыше 30% нецелесообразно из-за технологических проблем, возникающих в промышленных условиях при использовании высоковязких растворов.

Рисунок 16 Влияние высоких значений массовой доли растворимых сухих веществ (в интервале 9 - 45%) на плотность экстрактов корней S. Оfficinalis

Концентрирование с помощью метода нанофильтрации позволило полностью сохранить функциональные свойства экстрактов, в отличие от концентратов, полученных методом упаривания. Так, концентрат, полученный методом упаривания, имел более низкие показатели пенообразующей способности и эмульгирующей емкости (способности связывать масло) по сравнению с концентратом, полученным методом нанофильтрации, или свежеприготовленным экстрактом корней, при сохранении параметров устойчивости эмульсии на прежнем уровне (таблица 8). Для сравнения функциональных свойств концентраты разбавляли до массовой доли растворимых сухих веществ 5%.

Таблица 8

Сравнительная характеристика функциональных свойств экстрактов S. officinalis, концентрированных различными методами

Результаты исследований свидетельствуют о принципиальной возможности использования нанофильтрации для концентрирования разбавленных экстрактов S. оfficinalis, с целью максимального сохранения их исходных функциональных свойств.

Условия хранения растительного концентрата на основе сапонинов. В связи с тем, что водные экстракты из растительного сырья относятся к скоропортящимся продуктам, необходимо было подобрать условия консервирования концентрированного экстракта корней S. officinalis и определить оптимальные сроки его хранения. Наиболее распространенными способами консервирования водных экстрактов является стерилизация, замораживание и сушка. Замораживание с последующим низкотемпературным хранением обеспечивает высокую степень качества продукции, однако это энергоемкий и достаточно сложный технологический процесс. Высушивание водных растворов с помощью распылительной или сублимированной (лиофильной) сушки имеет определенные преимущества перед другими методами, поскольку мгновенное удалении влаги, при сравнительно невысокой температуре высушивания, позволяет на долгое время сохранить нативную ценность продуктов без применения консервантов.

Исследование влияния методов консервирования на эмульсионные свойства концентрата при хранении проводили в течение 24 месяцев. Замороженные и стерилизованные экстракты хранили при температуре -18^оС, высушенные сублимированной сушкой - при комнатной температуре. Как показали результаты исследований, в течение 18 месяцев хранения, независимо от способа консервирования, эмульгирующие свойства водных экстрактов корней S. officinalis практически не менялись (таблица 9).

Таблица 9

Пенообразующая и эмульгирующая способности экстрактов корней S. officinalis в зависимости от способа консервирования

Массовая доля растворимых сухих веществ анализированных экстрактов составила 5%.

Все экстракты сохраняли в течение 18 месяцев высокие функциональные свойства, что свидетельствует о незначительном гидролизе сапонинов в процессе хранения. Увеличение сроков хранения до 24 месяцев приводило к снижению устойчивости образованных эмульсий. Полученные данные дают основание хранить экстракты корней S. officinalis в течение 18 месяцев независимо от способа его консервирования.

По результатам микробиологических исследований установлены гарантийные сроки хранения экстрактов - 12 месяцев. Полученные экспериментальные данные легли в основу разработки нормативной документации на весь ассортимент экстрактов, утвержденной в установленном порядке.

Разработка установки для комплексной переработки корней S. officinalis. На основе полученных результатов исследований была разработана установка производства концентрированных экстрактов из корней S. officinalis. Предлагаемая установка состоит из отдельных, связанных между собой периодически действующих аппаратов и рассчитана на переработку небольших партий сырья. Ее конструктивное решение позволяет вести гидромеханическую обработку сырья, технологический процесс экстрагирования методами настаивания или реперколяции, а также осуществлять концентрирование разбавленных экстрактов методом нанофильтрации. Схема предусматривает сушку экстрактов и утилизацию отходов.

Основными достоинствами конструктивного решения предлагаемой установки являются активное противоточное циркулирование экстрагента, непрерывность процесса с возможностью гибкого перехода от одного вида экстракции к другому, полная автоматизация процесса и малые габариты, позволяющие использование ее на предприятиях малого и среднего бизнеса.

Комплексная переработка корней S. officinalis на данной установке, позволяет организовать экологически чистое, безотходное производство, в процессе которого получается комплекс продуктов, а именно: измельченный корень; экстракт, концентрат экстракта в жидком или сухом виде и органо-минеральное гранулированное удобрение.

Глава 5. Научное обоснование технологии низкокалорийных эмульсионных продуктов на основе экстрактов сапонинов

Эмульсионные продукты являются перспективными видами продуктов питания и занимают одно из ведущих положений на мировом рынке. Возможность введения специфических добавок позволяет получать на их основе различные виды функциональных продуктов питания, обогащенных необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека микронутриентами. Были разработаны технологии различных видов функциональных низкокалорийных эмульсионных продуктов на основе экстрактов корней A. gypsophiloides, S. officinalis и смешанного эмульгатора на основе экстрактов A. gypsophiloides и G. glabra. Для разработки композиций овощных соусов, десертных, закусочных паст и кондитерских кремов, обогащенных необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека микронутриентами, в качестве ингредиентов были использованы фруктово-ягодные, овощные и белковые наполнители.

К растительным эмульгаторам на основе сапонинсодержащего сырья, как и к пищевым добавкам, должны предъявляться требования их безопасного использования. Согласно нашим данным сапонины водного экстракта S. officinalis и A. gypsophiloides относятся к малотоксичным веществам, поскольку при однократном пероральном введении 1,75 г/кг не проявляют острой токсичности. В расчете на среднюю массу тела человека (70 кг) это доза составляет 122 г одновременного попадания экстракта в желудочно-кишечный тракт.

При разработке различных рецептур эмульсионной продукции на основе сапонинов учитывали вышеприведенные данные. В зависимости от консистенции эмульсионных продуктов в рецептурах использовали от 1 до 3% (объемных или весовых) 7%-го экстракта корней мыльнянки или колючелистника, что составляло 0,07-0,2 г. сухих веществ экстракта на 100 грамм продукта. Эта количество соответствовало допустимой норме экстракта A. gypsophiloides, разрешенного в качестве классического пенообразователя при производстве халвы.

Для приготовления эмульсионной продукции было использовано два подхода, в зависимости от вида продукции: фиксированный объем 7%-го экстракта сапонинов и растительного масла взбивали с помощью гомогенизатора до образования устойчивой эмульсии. С целью создания воздушной структуры кондитерских кремов фиксированный объем 7%-го экстракта сапонинов предварительно взбивали с помощью гомогенизатора до устойчивой пены, затем тонкой струйкой вводили растительное масло и гомогенизировали до получения устойчивой эмульсии. Наполнители и вкусо-ароматические добавки смешивали с эмульсией и повторно гомогенизировали до получения однородной консистенции. Загуститель вводили на последнем этапе получения эмульсии, что способствовало получению нужной консистенции готового продукта.

Для обоснования возможности использования растительных сапонинов образовывать устойчивые эмульсионные продукты различной консистенции, был разработан широкий ассортимент низкокалорийной продукции, структура которой значительно различалась в зависимости от массовой доли введенных в рецептуру стабилизаторов и наполнителей. Были разработаны и исследованы структурно-механические свойства следующих видов продукции:

- низкокалорийные эмульсионные соусы, которые имели жидкую консистенцию за счет введения в рецептуру незначительных количеств загустителя (модифицированного крахмала) и наполнителя (сухого молока);

- овощных и фруктовых соусов, представляющих собой продукт средний по густоте консистенции;

- десертных и закусочных паст плотной консистенции за счет введения в рецептуру стабилизатора (модифилана или ламиналя) и наполнителя (пасты кедровых орехов и сухого молока). Дополнительное введение эмульгатора (3% ЭКК) способствовало формированию пластичной консистенции продуктов.

Влияние различных факторов на стабильность низкокалорийных эмульсий на основе экстрактов сапонинов. Стабильность эмульсий - термодинамически неустойчивых и способных к самоагрегации систем, зависит от многих факторов, среди которых одним из основных является степень дисперсности системы и однородность размеров частиц дисперсной фазы. При производстве низкокалорийных эмульсий особое значение отводится процессу диспергирования - мелкодисперсные системы обладают большей вязкостью и устойчивостью к расслоению. Поскольку высокомолекулярные ПАВ обладают низкой скоростью адсорбции на поверхности раздела фаз, то интенсивное механическое воздействие может препятствовать образованию достаточно прочного адсорбционного слоя, тем самым, снижая стабильность эмульсий. В связи с этим выбор оптимальных режимов механического воздействия (гомогенизации) является одним из основных факторов при производстве эмульсионных продуктов на основе сапонинов.

Особое внимание было уделено изучению способности экстракта сапонинов образовывать однородные мелкодисперсные и стабильные эмульсионные системы при рациональных режимах диспергирования - скорости гомогенизации, температуры и рН среды.

Установлено, что дисперсность и стабильность модельной системы (экстракт сапонинов-масло) зависели от скорости взбивания. При скорости 300 и 600 об/мин происходило образование крупно дисперсных неустойчивых систем с размером частиц 20-28 мкм, расслоение которых наблюдалось через 5-10 мин после завершения процесса диспергирования. При скорости взбивания 1500-3000 об/мин образовывались однородные мелкодисперсные и стабильные капли со средним размером частиц 4-6 мкм. Высокая скорость гомогенизации (5000 об/мин) приводила к расслоению эмульсии, что характерно для эмульсий на основе высокомолекулярных ПАВ. Скорость гомогенизации существенно изменяет микроструктуру эмульсий (рисунок 17).

A B C

Рисунок 17 Микроструктура модельной системы экстракт сапонинов -масло при различной скорости гомогенизации: А - 1200 об/мин, В - 3000 об/мин при 22єС; С - 3000 об/мин при 8єС. Микрофотографии выполнены на оптическом микроскопе МС 10 (MICROS, Австрия) с цифровой видеокамерой САМ 1800 (VISION, Австрия)

При частоте вращения ротора 1200 об/мин эмульсия представляет собой неоднородную систему с крупными каплями масла и пузырьками воздуха. Увеличение скорости до 3000 об/мин приводит к образованию мелкодисперсной эмульсии с равномерным распределением однородных по размерам частиц по всему объему. Изменение температуры при гомогенизации (в интервале 6-8; 20-22 и 28-30єС) практически не изменяло микроструктуру эмульсий и ее стабильность, но снижало точку инверсии - количество масла, связанного одним граммом сухого экстракта.

Технология и оценка качества закусочных и десертных паст. При разработке рецептур оптимальное количество вводимых наполнителей подбирали экспериментально, учитывая консистенцию, внешний вид и вкус эмульсионного продукта. Было найдено, что введение 40 - 50% наполнителя для фруктово-овощных пюре и 10% для кедровых орехов позволило придать продуктам приятный специфически выраженный вкус. Поскольку консистенция эмульсионных продуктов зависела от влажности входящих в рецептуры наполнителей, то для достижения необходимых структурно-прочностных свойств необходимо было добавлять различное количество стабилизатора-загустителя. Так, вкусовые наполнители из фасоли и гороха (влажность 50%) сами обладали стабилизирующим действием и не требовали дополнительного введения стабилизаторов. Несмотря на то, что овощные пюре являются стабилизаторами за счет присутствия пектинов, однако из-за повышенной влажности (60-65%) следовало добавить загуститель (6% рисового пюре). При использовании плодово-ягодного пюре с влажностью 88-90% для связывания избыточной влаги вводили крахмал или сухое молоко (1-3%). Для увеличения плотности закусочных и десертных паст в рецептуру был введен стабилизатор (модифилан/ламиналь). Рецептуры фруктовых соусов были разработаны на основе комплексного эмульгатора. Поскольку сладкий вкус солодки хорошо сочетается с плодово-ягодными пюре в рецептуре было снижено количество сахара.

В результате был разработан широкий ассортимент функциональной продукции (более 40 наименований), в частности:

- овощные соусы - “Морковный”, “Свекольный”, “Тыквенный”, “Вегетарианский”, “Овощной”, “Горошинка”, “Фасолинка” и др. с содержанием наполнителя до 43% и загустителя - до 6%;

- сладкие фруктово-овощные соусы - “Витаминный”, “Янтарный”, “Нежность”, “Ягодка” с содержанием наполнителя до 44% и загустителя - 1%;

- пасты десертные - шоколадно-ореховая, сливочно-ореховая и фруктово-овощная с содержанием наполнителя 19-32% и стабилизатора 8-12%;

- пасты закусочные - из баклажан и из молок лососевых рыб с содержанием наполнителя 40-45% и стабилизатора 10-12%.

- низкокалорийные эмульсионные соусы - “Славянский”, “Деревенский» и “Томатный”, содержащие 3% загустителя (крахмала) и 5% наполнителя (сухого молока).

Уксусная кислота (80 %), лимонная кислота, соль, ванилин и горчичный порошок были введены в рецептуры в соответствии с разработанной нами нормативной документацией.

Пищевая и биологическая ценность продуктов являлась одним из основных показателей качества, так как определяла степень соответствия продуктов питания оптимальным потребностям организма человека согласно физиологическим нормам и гарантирует их пищевую безвредность и безопасность. В этой связи особую значимость представляет оценка биологической ценности и калорийности готового продукта.

Биологическая ценность разработанной продукции обусловлена химическим составом используемого сырья. Так, функциональные свойства десертным пастам придает содержащийся в орехах комплекс ценнейших биологически активных веществ, таких как ПНЖК, легко усвояемые белки, витамины и микроэлементы. Кроме этого добавление кедровых орехов в виде пасты за счет увеличения доли белка и жира повышает калорийность продукта до 524 - 533 ккал/100 г по сравнению с фруктово-овощной пастой (430 ккал/100 г продукта). Калорийность закусочных паст находилась в пределах 380,8 - 438,8 ккал на 100 г продукта, что соответствует значениям для низкокалорийных эмульсионных продуктов.

Биологическую ценность закусочных паст определяли по биотесту на культуре Tetrachymena pyriformis (по отношению к стандартному белку - казеину молока). Паста, в составе которой в качестве наполнителя содержатся молоки дальневосточных лососевых рыб, имела более высокое значение ОБЦ (85,9%) по сравнению с пастой из баклажан (63,5%), что связано с высоким содержанием в молоках белка (22,1%), ДНК (9,8%) и других биологически активных веществ.

Лечебные и профилактические свойства фруктово-овощной пасты обусловлены включением в рецептуру пюре из тыквы и яблок, содержащих -каротин, пектиновые вещества и пищевые волокна. Введение в рецептуру модифилана позволило обогатить продукты органическим йодом, предупреждающим развитие заболеваний щитовидной железы. Содержание йода в десертных пастах составляло в среднем 1,8-2,0 мг на 100 г продукта, следовательно, 10 г пасты в рационе питания удовлетворяет суточную потребность организма в йоде.

Стабильность полученных эмульсионных продуктов в процессе хранения определяли при температуре 0-5С по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям качества. В результате сроки хранения составили от 6 до 10 дней для закусочных и десертных паст, до 20 дней - для овощных соусов в соответствии с требованиями СанПиН 2.3.2.1078-01.

Результаты микробиологических исследований доказывают, что введение в рецептуры растительных сапонинов позволяет увеличить сроки хранения эмульсионной продукции и сохранить устойчивость и однородность структуры в течение всего срока хранения. Это, по-видимому, объясняется антидрожжевой активностью сапонинов. Следовательно, используемый в качестве эмульгатора сапонинсодержащие водные экстракты корней A. gypsophiloides и S. officinalis может являться естественным природным консервантом для эмульсионной продукции нового ассортимента.

Технология и оценка качества кондитерских кремов. Традиционно высокая доля кондитерских изделий в рационе питания населения является одной из основных причин избыточного потребления жиров с повышенным содержанием насыщенных жирных кислот. В связи с наблюдаемой тенденцией к снижению жира в рационе питания, возникла необходимость значительного снижения калорийности кондитерских кремов. Это было достигнуто путем замены традиционно используемого сливочного масла на растительные масла. Применение растительного эмульгатора и подбор наполнителей позволил уменьшить его количество в рецептурах до 40% без снижения вкусовых качеств и консистенции традиционных кондитерских кремов. При выборе жировой основы учитывали жирно-кислотный состав, физико-химические свойства и органолептические показатели качества различных масел. Массовые доли ПНЖК рассчитывали, исходя из соотношения щ-6 и щ-3 жирных кислот в растительных маслах. В качестве жировой основы были подобраны смеси рафинированных соевого, подсолнечного и оливкового масел в различных соотношениях. В качестве стабилизаторов были выбраны полуфабрикаты (сиропы «Шарлотт», «Гляссе», «Заварной полуфабрикат»), которые широко используются в общественном питании для производства кремов. Для придания кремам функциональных свойств, обеспечивающих содержание биологически активных веществ до уровня, сопоставимого с физиологическими нормами их потребления, в рецептуру были введены различные ягодные (черносмородиновое, голубичное, малиновое, брусничное и др.) и овощные (тыквенное) пюре. Используемое овощное и фруктово-ягодное пюре позволило также получить необходимый цвет продукта без применения искусственных красителей. Все разработанные кондитерские кремы имели высокие органолептические показатели качества.

Энергетическая ценность кондитерских кремов составила 440-490 ккал/100 г продукта, что позволило отнести их к низкокалорийным эмульсионным продуктам. Пищевую ценность готовых продуктов оценивали с помощью тест культуры инфузории T. pyriformis, рассчитывая ОБЦ кремов по отношению к казеину. Несмотря на низкое содержание белка (1,02 - 2,82%), все кремы имели высокие показатели биологической ценности (78,7 - 98,7%). Таким образом, комплекс биологически активных веществ, входящих в состав кремов, в максимальной степени отвечает требованиям теории адекватного питания.

Следует отметить, что в состав кремов за счет включения в рецептуру пюре из плодов и ягод входят необходимые для нормальной жизнедеятельности организма человека микроэлементы и витамины, указанных на рисунках 11-12. Соотношение Ca:Mg и Ca:P максимально приближено к оптимальным (1:0,75 и 1:1,5. соответственно), а содержание основных витаминов А, В_1, В_2, С, Е и РР составляет 1; 3; 4; 30 и 24,4 %, что соответствует среднесуточной физиологической норме потребления. Таким образом, разработанные кремы можно отнести к функциональным продуктам, так как содержание в их составе биологически активных веществ обеспечивает удовлетворение средней суточной физиологической нормы их потребления на 10 - 50% (рисунки 18 и 19).

Рисунок 18 Содержание минеральных элементов в 100 г крема «Лакомка», % суточной нормы потребности

Рисунок 19 Содержание витаминов в 100 г крема «Лакомка», % суточной потребности

Обобщенные данные по оценке опытных образцов кремов в процессе хранения свидетельствуют о том, что по комплексу микробиологических, физико-химических и органолептических показателей качества их стабильность сохраняется в течение 18-20 суток при температуре 0 - 5⁰С. Однако контрольный образец крема «Шарлотт», в качестве жировой основы которого использовалось сливочное масло, выдержал только трое суток хранения. При дальнейшем его хранении наблюдалось увеличение количества дрожжей до 40 КОЕ/г. Несмотря на то, что кремы, изготовленные на основе экстракта сапонинов, сохраняли качество по физико-химическим и микробиологическим показателям не менее 18 суток, для обеспечения полной безопасности в нормативной документации был принят срок хранения - 10 суток.

Структурно-механические свойства низкокалорийных эмульсионных продуктов на основе растительного эмульгатора. Следует отметить, что производство эмульсионных продуктов связано с проблемой сохранения структурных свойств, поскольку снижение жировой фазы приводит к значительному уменьшению вязкости и слабой устойчивости эмульсионной системы. В связи с этим, нами были проведены исследования структурно-механических свойств эмульсионной продукции различного ассортимента, изготовленных на основе экстракта сапонинов в процессе их производства и структурообразования. Для этой цели был проведен анализ реологических параметров и прочностных свойств полученных низкокалорийных продуктов, консистенция которых значительно различалась в зависимости от массовой доли добавленных в рецептуру наполнителей - овощного соуса и десертной ореховой пасты.

Структурно-механические характеристики эмульсионных продуктов коррелировали с органолептическими показателями качества: десертная паста имела кремообразную консистенцию, хорошо сохраняла свою форму и обладала хорошей пластичностью. Низкокалорийный эмульсионный соус представлял собой стабильную (агрегативная устойчивость 100%) систему с консистенцией, свойственной данному виду продуктов. Овощной соус имел мажущуюся, пластичную консистенцию, менее плотную, чем крем-паста.

В качестве объективных критерий были выбраны наиболее важные реологические характеристики, служащие для оценки прочности эмульсионной структуры: зависимость эффективной вязкости от градиента скорости в системе двойных логарифмических координат (рисунок 20), предельное напряжение сдвига (ПНС, Па), значения пластической вязкости (з_пл, Па^.с), коэффициента консистенции (В - эффективная вязкость при скорости сдвига 1 с^-1,) и индекса течения (n) (таблица 13).

Таблица 13

Коэффициенты уравнения Гершеля-Балкли для эмульсионных систем в процессе хранения

Рассматриваемые эмульсионные системы проявляли различную тенденцию к структурообразованию в процессе созревания. Так, вязкость низкокалорийного эмульсионного соуса возрастала со временем, что характерно для систем типа майонез. Об упрочнении его структуры свидетельствует увеличение значений ПНС, коэффициента консистенции и уменьшение величины индекса течения. В отличие от низкокалорийного эмульсионного соуса, овощной соус и десертная паста проявляли тенденцию к размягчению структуры, поскольку со временем наблюдалась обратная зависимость выше перечисленных показателей. Уменьшение вязкости, по-видимому, может быть вызвано высокой степенью влажности используемых наполнителей (влажность овощного соуса составляла 65%, десертной пасты кедрового ореха - 9%, модифилана - 92%). Частичное разрушение структуры со временем за счет дополнительной влаги сопровождалось увеличением пластичности систем, что подтверждено органолептическими показателями качества. Для десертной пасты также наблюдалось снижение липкости.

В результате исследований установлено, что водный экстракт сапонинов из корней S. оfficinalis, способный образовывать устойчивые эмульсии в широком диапазоне эффективной вязкости - от 2,4 до 2320 Па•с, может быть перспективным эмульгатором для получения низкокалорийных эмульсионных продуктов с различными структурно-механическими характеристиками. Пищевые системы на его основе обладают вязкостными и прочностными параметрами, значения которых соизмеримы с таковыми для подобного типа эмульсионных продуктов, полученных на основе традиционных эмульгаторов - сывороточных белков и яичного порошка.

A B

C

Рисунок 20 Зависимость эффективной вязкости низкокалорийного майонеза (А), овощного соуса (В) и десертной пасты (С) от напряжения сдвига в процессе созревания системы: 1 - 1 час; 2- 2 часа; 3- 24 часа

Таким образом, выявлена различная тенденция структурообразования в процессе созревания - у жидких соусообразных эмульсионных систем со временем наблюдалось формирование прочной структуры, в то время как у вязких пастообразных продуктов происходило увеличение пластичности и снижение липкости.

Выводы

1. В результате проведенного поиска были выбраны перспективные источники природных эмульгаторов (сапонинов) - корни Acanthophyllum gypsophiloides и Saponaria officinalis, водные экстракты которых обладали высокими функциональными свойствами. Показана нецелесообразность использования корней Aralia mandshurica, и Glycyrrhiza glabra, а также листьев и стеблей S. officinalis из-за низкой функциональной активности их экстрактов. Исходя из химической структуры исследуемых сапонинов, можно предположить, что величина гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) сапонинов оказывает существенное влияние на поверхностную активность экстрактов.

2. Выявлено, что доминирующими компонентами экстрактов корней A. gypsophiloides и S. officinalis являются высокополярные сапонины, имеющие одинаково низкий уровень гемолитической активности и подобные значения минимального снижения поверхностного натяжения (54-58 мН/м), характерные для достаточно высоко активных ПАВ.

3. Результаты медико-биологических исследований позволили отнести экстракты колючелистника A. gypsophiloides и красного мыльного корня S. officinalis к малотоксичным веществам. Сохранение показателей периферической крови и отсутствие морфологических изменений внутренних органов при длительном пироральном применении экстрактов позволяет рекомендовать их к использованию в пищевой промышленности.

4. Экспериментально доказана перспективность культивирования корней двух видов S. officinalis в почвенно-климатических условиях Приморского края и экспериментально установлен оптимальный срок выращивания растений - 2 года. Соизмеримо высокие мицеллярные и функциональные характеристики экстрактов 2-х и 3-х летних корней подтверждают возможность сокращения срока культивирования. Выявлена различная гемолитическая активность экстрактов в зависимости от вегетативного цикла развития растения, что позволяет расширить область их применения. Корни осеннего сбора, экстракты которых обладают низкой гемолитической активностью, рекомендуется использовать для получения растительного эмульгатора. Для медицинских и косметических целей заготовку корней необходимо осуществлять в фазе бутонизации.

5. Результаты исследования физико-химических, мицеллярных и функциональных свойств экстрактов двух видов корней S. officinalis доказали перспективность использования экстрактов корней махрового вида в качестве эффективного эмульгатора, не уступающего по мицеллярным параметрам коммерческому quillaja сапонину.

6. Выявлены закономерности в изменении величины ККМ сапонинов двух видов S. officinalis в зависимости от кислотности среды и концентрации соли. Снижение величины ККМ в кислой среде (при рН 3.0) и в присутствии соли (1 М NaCl) позволяет модифицировать технологию приготовления эмульсий путем варьирования данных показателей.

7. Обнаруженная антиоксидантная активность и гипохолестеринемическое действие экстрактов корней S. officinalis дают основание использовать их в качестве полифункциональной пищевой добавки, способной одновременно выполнять роль эмульгатора, антиоксиданта и снижать уровень холестерина в крови.

8. Установлена способность неполярных сапонинов корней S. officinalis ингибировать рост дрожжей и патогенных грибов, что позволяет рассматривать их в качестве потенциальных антифунгальных препаратов.

9. Экспериментально обоснованы рациональные параметры сушки корней S. officinalis в естественных условиях и различных установках конвективного типа. Показано, что сушка в кипящем слое позволяет максимально сохранить функциональную активность экстрактов.

10. Оптимизирован процесс экстракции сапонинов из корней S. officinalis методами настаивания и реперколяции. Экспериментально обоснованы режимы батарейной экстракции, обеспечивающие получение жидких и концентрированных высокоэффективных экстрактов корней S. officinalis. Экспериментально показана возможность получения высококонцентрированных экстрактов методом ультрафильтрации.

11. Разработана и запатентована установка для комплексной переработки корней S. officinalis, конструктивное решение которой позволяет осуществлять: гидромеханическую обработку сырья, экстракцию методами настаивания или реперколяции, концентрирование экстрактов методом нанофильтрации, сушку экстрактов и утилизацию отходов.