Научное обоснование и разработка технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научное обоснование и разработка технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов

05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Максимова Светлана Николаевна

Калининград 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет» (ФГБОУ ВПО «Дальрыбвтуз»).

Научный консультант Доктор технических наук, профессор, Заслуженный работник высшей школы РФ Сафронова Тамара Михайловна

Официальные оппоненты: Маслова Галина Васильевна, доктор технических наук, ст. науч. сотр., ОАО «ГИПРОРЫБФЛОТ», заместитель директора по технологии переработки гидробионтов, Почетный работник рыбного хозяйства РФ, Заслуженный технолог РФ

Андреев Михаил Павлович, доктор технических наук, ст. науч. сотр., ФГУП «АтлантНИРО», заместитель директора, Заслуженный работник рыбного хозяйства РФ

Ярочкин Альберт Павлович, доктор технических наук, ст. науч. сотр. ФГУП «ТИНРО-центр», заведующий лабораторией рационального использования гидробионтов, Почетный работник рыбного хозяйства РФ

Ведущая организация ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» (ВНИТИБП) РАСХН

Защита диссертации состоится 15.02.2013 г. в 15⁰⁰ ч на заседании диссертационного совета Д 307.007.01 на базе ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КГТУ») по адресу: Россия, 236022, г. Калининград, Советский пр., 1, конференц-зал (ауд. 255), факс 8(4012)91 68 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КГТУ».

Автореферат разослан «____» _________2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор Великанов Николай Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы базируется на трех научно и законодательно обоснованных положениях: требованиях к питанию современного человека, пищевой и физиологической ценности водных биоресурсов, перспективных технологиях пищевых продуктов.

Образ жизни современного человека, в частности его низкая физическая активность и традиционная пища, приводит к дефициту микронутриентов в организме и к постепенной потере здоровья практически всем населением. Поскольку проблема априори не может быть решена увеличением количества потребляемой пищи из-за опасности формирования избыточной массы тела, альтернативой становится необходимость корректировки состава и свойств пищи.

Оптимизированная по нутриентам пища - функциональное питание - оказывает положительное влияние на физическое и психическое здоровье, предотвращает или уменьшает частоту возникновения заболеваний. Концепция функционального питания включена в международные и многие, в том числе российскую, национальные программы развития питания ХХI в.

Сказанное выше позволяет считать целесообразным создание функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов.

Как известно, водные биоресурсы представляют собой физиологически ценное пищевое сырье, ингредиенты которого обладают функциональными свойствами, зачастую присущими только им. Рыбы, беспозвоночные животные и водоросли служат природным источником многих индивидуальных биологически активных веществ, применяемых в изолированном виде как БАВ к пище или как эссенциальные добавки, придающие продуктам питания функциональные свойства.

При дифференцированном подходе к составу водных биоресурсов и при их соответствующей обработке теоретически они способны сохранить свою функциональную активность в готовом продукте. Однако в процессе производства наблюдаются значительные потери биологически активных соединений и энергетической ценности сырья (порядка 10 %). В связи с этим разработка технологии функциональных продуктов из водных биоресурсов относится к актуальной проблеме.

Анализ результатов исследований и практической деятельности в области технологии рыбных продуктов, а также материалы Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г. указывают на необходимость решения, помимо производства функциональных продуктов, ряда других проблем. В настоящее время к актуальным задачам относятся: расширение ассортимента высококачественных продуктов, изыскание способов компенсации негативных изменений сырья в производственном процессе, повышение безопасности продуктов для здоровья человека, их стойкости в хранении и биологической ценности.

Сопоставление потенциальных возможностей современных технологий пищевых продуктов и основных методов получения функциональных продуктов позволяет отметить широкое применение в обоих случаях пищевых добавок, часть из которых обладает функционально-биологическими свойствами и физиологической активностью. В данном случае рациональным может оказаться предположение возможности одновременного и комплексного решения технологических задач и придания продуктам функциональных свойств.

В последнее десятилетие в ряде областей деятельности человека находит применение природный полимер хитин и ближайшее его производное хитозан, обладающее многими полезными свойствами, в том числе и физиологической активностью. Фундаментальные исследования хитозана, его производных и олигомеров, осуществляемые в области биомедицины, агробиологии, экологии, служат научной предпосылкой использования этих соединений в технологии пищевых продуктов и БАД. Однако различие в целях применения и внешних условиях действия хитозана вызывают необходимость дополнительных исследований и адаптации известных закономерностей применительно к пищевым технологиям.

Проблемам производства и использования хитозана в технологии пищевых продуктов посвятили свои многочисленные работы отечественные и зарубежные ученые: А.И. Албулов, Л.Р. Алиева, Л.В.Антипова, В.Д. Богданов, Т.М. Бойцова, В.П.Быков, В.М. Быкова, В.П.Варламов, С.В. Василисин, Г.А. Вихорева, Л.С. Гальбрайх, В.Н. Горностай, В.М. Дацун, И.А. Евдокимов, К.Д. Жоголев, Б.А. Комаров, Г.Н. Ким, А.Н. Ключко, В.В. Кращенко, Е.Э. Куприна, С.А.Лопатин, Г.В. Маслова, О.Я. Мезенова, М.Д. Мукатова, С.В. Немцев, В.Ю. Новиков, Л.А. Нудьга, В.В. Садовой, Т.М. Сафронова, D. Knor, C. Jeuniaux, R.R.A. Muzzarelli, K.M. Rudall и др. На основании их исследований разработаны технологии пищевых продуктов с целевым использованием хитозана для регулирования структуры продукта, агрегации белковых веществ, сорбции липидов, снижения уровня канцерогенных веществ в коптильных средах, усиления гелеобразования, получения защитных пленок, снижения микробной контаминации.

Дальнейшему развитию технологии хитозансодержащих продуктов могут способствовать исследования характеристики вкуса хитозана и путей его улучшения, антиоксидантных свойств растворов пищевого хитозана, взаимосвязи характеристик хитозана промышленного производства и его антимикробной активности, влияния внешних условий на эффективность барьерных и функциональных свойств хитозана, динамики антиоксидантной и антимикробной активности биополимера в процессе хранения продуктов.

Таким образом, научное обоснование и разработка технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов направлены на решение важной народнохозяйственной проблемы - создание высококачественных, стойких в хранении, физиологически активных, экономически и социально значимых пищевых продуктов нового ассортимента.

Рабочей гипотезой является обоснованное предположение о том, что хитозан при производстве пищевых продуктов из водных биоресурсов синхронно проявляет наряду с многопрофильными функционально-технологическими свойствами и физиологическую активность, что позволит комплексно решать технологические задачи и получать функциональные продукты.

Научная концепция работы. Заданная эффективность хитозана в технологии продуктов из водных биоресурсов есть множественная функция характеристик полимера, установленная в переменных условиях состава и режимных параметров обработки пищевой среды.

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы - научное обоснование и разработка технологии продуктов из водных биоресурсов с использованием хитозана в качестве многопрофильной добавки к пище, обеспечивающей возможность расширения ассортимента, повышение качества и биологической ценности, безопасности, стойкости в хранении и придание функциональных свойств готовой продукции.

Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:

? на основании анализа научной и практической деятельности в области производства пищевых продуктов обосновать целесообразность разработки технологии хитозансодержащих функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов, сформулировать концепцию и задачи исследования;

? идентифицировать и исследовать сенсорные свойства хитозана в сопоставлении с природой сырья и технологией его производства; разработать методы совершенствования качества пищевого хитозана;

? изучить динамику эффективности функционально-технологических свойств хитозана в зависимости от его характеристик, состава и условий обработки пищевой среды;

? обосновать и экспериментально подтвердить in vivo физиологическую эффективность хитозана различных характеристик и его сочетаний с другими функциональными добавками в составе продуктов из водных биоресурсов, обработанных в широком диапазоне температур;

? исследовать синхронное проявление множественных функций хитозана и на основании выявленных закономерностей сформулировать теоретические основы технологии хитозансодержащих функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов;

? обосновать новый ассортимент и разработать приоритетные частные технологии хитозансодержащих пищевых продуктов с заданными свойствами из водных биоресурсов;

? осуществить анализ социально-экономической эффективности технологии хитозансодержащих функциональных продуктов;

? разработать и утвердить нормативную документацию на новые хитозансодержащие функциональные пищевые продукты;

? практически реализовать результаты научных исследований в производственных условиях, учебном и научном процессах.

Научные положения, выносимые на защиту:

· концептуальный подход в исследованиях - заданная эффективность хитозана в технологии продуктов из водных биоресурсов есть множественная функция характеристик полимера, установленная в переменных условиях состава и режимных параметров обработки пищевой среды;

· установленный факт физиологической эффективности хитозана, синхронно реализуемой с его функционально-технологическими свойствами, обосновывающий отнесение хитозансодержащих продуктов к функциональным;

· зависимости эффективности множественных функций хитозана от характеристик полимера, состава и условий обработки пищевой среды, образующие в совокупности научные основы технологии хитозансодержащих продуктов из водных биоресурсов, критерии и методы их оценки;

· методы количественной оценки и способы регулирования интенсивности вяжущего вкуса хитозана, расширяющие возможность применения полимера в технологии пищевых продуктов;

· новый ассортимент и приоритетные технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов, их социальная значимость.

Научная новизна работы. Обоснована и сформулирована концепция управления эффективностью функционально-технологических и функционально-физиологических свойств хитозана, используемого в составе пищевых продуктов из водных биоресурсов, путем направленного регулирования характеристик полимера, состава и условий обработки пищевой среды.

Разработаны теоретические основы технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов, позволяющие обеспечить формирование высокого качества готовой продукции с заданными органолептическими характеристиками, стойкостью в хранении, биологической ценностью и физиологической эффективностью.

Выявлены закономерности и описаны функциональные зависимости эффективности функционально-технологических и функционально-физиологичес-ких свойств хитозана в зависимости от молекулярной массы, фазового состояния, растворимости и концентрации полимера, а также от технологических параметров обработки и состава пищевой среды.

Обоснован методологический подход к количественной оценке барьерной эффективности хитозана.

Проведен сравнительный анализ антимикробной активности хитозана различной молекулярной массы, растворимости при его действии в пищевых системах. Установлено, что максимальной антимикробной активностью обладает низкомолекулярный водорастворимый хитозан гидрохлорид.

Определена для исследованных условий рациональная концентрация хитозана (0,3 %) как барьерного соединения.

Впервые изучена и подтверждена сравнительная потенциальная антиоксидантная активность растворов хитозана различной молекулярной массы. Установлено повышение устойчивости к окислению липидов хитинсодержащих рыбных продуктов, что позволяет увеличить их срок хранения в 1,5-2,0 раза.

Установлена концентрационная зависимость относительной биологической ценности рыбных продуктов, полученных с использованием хитозана. Доказано, что рациональная концентрация полимера составляет 0,1-0,3 %. хитозан технология функциональный продукт

Исследовано влияние температурных режимов обработки на функционально-технологические и функционально-физиологические свойства хитозана.

Обосновано и экспериментально подтверждено in vivо выраженное липотропное действие разномолекулярного хитозана и его комплекса с другими добавками в составе пищевых систем и продуктов из водных биоресурсов, обработанных в диапазоне температур в пределе минус 196 - плюс 160 ⁰С.

Математически описаны процессы, обусловливающие формирование основных показателей качества пищевого продукта из ламинарии, изготовленного с использованием хитозана.

Научно обоснованы частные технологии функциональных продуктов из водных биоресурсов с дифференцированным использованием многопрофильной добавки хитозана.

Новизна и приоритет технологических решений подтверждены 11 патентами.

Достоверность результатов подтверждается высокой воспроизводимостью экспериментальных данных лабораторных и производственных испытаний, полученных с использованием современных физико-химических, микробиологических методов анализа и математической обработки, а также установлением их адекватности аналитическим решениям; базируется на совокупности взаимосвязанных органолептических, структурно-механических, физико-химических показателей качества полуфабрикатов и готовых продуктов. Безопасность продукции подтверждена исследованиями в аккредитованном испытательном лабораторном центре лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Приморском крае».

Практическая значимость и реализация результатов работы. Создана концептуальная методологическая база для производства функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов с использованием многопрофильной добавки хитозана.

Самостоятельно и в соавторстве соискателем разработаны технологии и нормативная документация на хитозансодержащие функциональные продукты 9 наименований, усовершенствована технология пищевого хитозана.

Разработаны, утверждены и внедрены в производство технологии продуктов «Хитозан пищевой» (Изм. № 1 к ТИ утв. 22.06.1994 г.), «Палочки, биточки рыбные хрустящие» (Изм. № 1 к ТИ № 004-96), «Продукция из лососевых рыб малосоленая с хитозаном» (ТУ 9262-068-00471515-2010, ТИ № 068-2010); консервов «Паштет крабовый с хитозаном «Здоровье»» (ТУ 9273-065-00471515-2010, ТИ № 065-2010).

Получено экспертное заключение о проведении санитарно-эпидемиологи-ческой экспертизы на «Продукцию из лососевых рыб малосоленую с хитозаном» № 0001/01-Т от 18.01.10 и на консервы «Паштет крабовый с хитозаном «Здоровье»» № 25 ПЦ.01.744.Т.000048.01.09 от 20.01.2009 г. По итогам оценки на Дегустационном совете ФГУП «ВНИРО» консервам присвоен ассортиментный знак 66А, они успешно апробированы на биообъектах для лечения атеросклероза.

Промышленные партии консервов выпущены в условиях ООО «Меридиан» (с. Аян), малосоленой продукции с хитозаном - на ООО «Босантур Два» (г. Комсомольск-на-Амуре).

Разработаны проекты нормативной документации на пищевую продукцию: консервы «Роллы морские с хитозаном», «Палочки лососевые сушеные с хитозаном», «Сушеные формованные листы из ламинарии с хитозаном», аналог икры осетровых «Морская аптека», «Крабовые палочки».

По результатам теоретических и научно-экспериментальных исследований разработаны и внедрены в учебный и научный процесс Владивостокского медицинского государственного университета методические указания «Определение вкуса пищевых продуктов, содержащих хитозан».

Материалы диссертации внедрены в учебный и научный процессы ФГУП «ВНИРО», ФГБОУ ВПО «Дальрыбвтуз», ФГБОУ ВПО «КГТУ», ФГБОУ ВПО «МГТУ», ГБОУ ВПО «ВГМУ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих собраниях научной общественности:

- международных конференциях, симпозиумах и форумах: Пятом Международном симпозиуме «Экология человека: пищевые технологии и продукты на пороге XXI века» (Москва-Пятигорск, 1997); Международной научно-технической конференции «Рыбохозяйственные исследования Мирового океана» (Владивосток, 1999); Пятой Международной научно-технической конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 1999); Шестой Международной конференции «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 2001); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технологии живых систем» (Владивосток, 2005); Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2005); Международной научной конференции «Рыбохозяйственные исследования Мирового океана» (Владивосток, 2006); Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006» (Калининград, 2006); Восьмой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 2006); 3-й Международной заочной научно-практической конференции «Достижения учёных XXI века» (Тамбов, 2007), V Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2007» (Калининград, 2007); Международных научных чтениях «Приморские зори - 2007» (Владивосток, 2007); Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2007» (Мурманск, 2007); Международном экологическом форуме «Природа без границ» (Владивосток, 2007); Международной научной конференции «Перспективные нано- и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения» (Краснодар, 2007); 3-й Международной научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология» (Кемерово, 2008); Международной научной конференции «Исследование Мирового океана» (Владивосток, 2008); Девятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 2008), 3-й Международной научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология»: проблемы и перспективы (Калининград (Светлогорск), 2008); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2010); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана» (Владивосток, 2010); Десятой Международной конференции «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана» (Москва, 2010); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии переработки продовольственного сырья» (Владивосток, 2011);

- всероссийских научных и научно-практических конференциях и съездах: Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности» (Владивосток, 1989); III Всесоюзной научно-технической конференции (Москва, 1992); IV Всероссийской конференции «Производство и применение хитина и хитозана» (Москва, 1995); IV съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Москва, 2006); конференции Общества биотехнологов России по пищевой и морской биотехнологии (Калининград, 2006); Всероссийской конференции «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды» (Оренбург, 2007); V съезде общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Москва, 2008), Научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Москва, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития перерабатывающих комплексов, пищевого оборудования и технологии пищевых производств» (Владивосток, 2011);

- отраслевых и региональных конференциях: Юбилейной научной конференции «Рыбохозяйственное использование океана» (Владивосток, 1996); Первой межвузовской студенческой научно-технической конференции «Студенты вузов - свободной экономической зоне «Находка»» (Находка, 1997); Региональной конференции «Проблемы бизнеса и технологии в Дальневосточном регионе» (Находка, 2006); Научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Москва, 2006); Юбилейной научно-практической конференции «Современные тенденции развития общественного питания и сервиса» (Екатеринбург, 2007); Научной конференции, посвященной 70-летию С.М. Коновалова «Современное состояние водных биоресурсов» (Владивосток, 2008).

Автор принимал личное участие на всех стадиях работы, а именно: в формировании научного направления, концепции, постановке цели и задач; в планировании, организации путей решения и выполнении экспериментов, опытно-промышленных и биологических испытаний; в анализе и обобщении результатов исследования, формулировании выводов; в разработке патентов, подготовке публикаций и написании диссертационной работы и автореферата.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 89 работ, в том числе 1 монография, 4 учебных пособия, 18 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 11 патентов, 1 статья - в иностранном издании.

Объем и структура диссертации. Основной текст диссертации изложен на 398 с., включающих: введение, 6 глав экспериментального и аналитического материала, выводы, список используемых источников из 455 наименований, в том числе 45 иностранных авторов, приведено 48 табл., 61 рис., 49 приложений, включающих нормативные документы; протоколы лабораторных испытаний, дегустационных совещаний; акты проведения биологических испытаний, выпуска опытных партий, внедрения в учебный и научный процессы; патенты.

Работа выполнялась в период с 1987 по 2012 г. в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете в соответствии с планами научно-исследовательских работ университета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности, концепцию, цель и задачи работы, методологию исследования, научные положения, выносимые на защиту, характеристику научной новизны, практической значимости и апробации.

Глава 1 Научные и практические предпосылки разработки технологии функциональных продуктов из водных биоресурсов с использованием хитозана. На основании проведенного анализа литературных сведений и научной деятельности в области современных требований к здоровому питанию, перспектив технологии функциональных продуктов из водных биоресурсов, характеристики многопрофильной добавки хитозана обоснованы и сформулированы научная концепция работы, цель и задачи исследований.

Глава 2 Методологический подход, объекты и методы исследований. Методологическую основу исследований составил системный подход, обеспечивающий комплексное рассмотрение и изучение технологии функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов с использованием многопрофильных свойств хитозана.

Методология разработки теоретических основ и технологии функциональных рыбных продуктов, стойких в хранении с использованием хитозана, соответствовала сформулированной концепции (рис. 1). На завершающем этапе разрабатывались частные технологии хитозансодержащих функциональных продуктов и производилась оценка эффективности работы в целом в соответствии с программно-целевой моделью исследования (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Программно-целевая модель исследований

Объект исследований - продукт во времени на этапах: обоснование актуальности - проектирование - технология - хранение. Под продуктом в данном контексте понимается совокупность вновь разработанных хитозансодержащих функциональных пищевых продуктов из водных биоресурсов.

Предмет исследований - закономерности изменения эффективности функционально-технологических и функционально-физиологических свойств хитозана в зависимости от характеристик полимера, состава и параметров обработки пищевой среды, представленные в совокупности как теоретические основы технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов.

В качестве основного материала в научных исследованиях использовали разномолекулярный хитозан отечественного промышленного производства: низкомолекулярный хитозан молекулярной массой (ММ) 32 кДа (НМХ-32), высокомолекулярные хитозаны ММ 270 (ВМХ-270) и ММ 588 кДа (ВМХ-588), водорастворимый полимер ММ 55 кДа (ВРСХ-55). Хитозан применяли в двух фазовых состояниях: растворы (водный и уксуснокислый) и сухой порошок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Концепция формирования эффективности хитозансодержащих продуктов (ХСП): ММ - молекулярная масса; ИВВХ - интенсивность вяжущего вкуса хитозана

Исследовали хитозаны как продукты переработки панциря ракообразных и других биологических объектов: промышленных видов крабов, антарктического криля, травяного шримса, гаммаруса, гладиуса кальмара, сепиона фараоновой каракатицы, биомассы комнатной мухи разных личиночных стадий, а также образцы карбоксиметилхитина различной молекулярной массы.

При выполнении исследований использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследований.

Определение содержания хитозана в готовых продуктах проводили колориметрическим методом, основанным на принципе количественного учета свободных аминогрупп хитозана и адаптированным для пищевых сред (Немцев и др., 2006).

Антимикробную активность (АМА) хитозана в пищевых средах и ХСП оценивали по изменению величины КМАФАнМ (ГОСТ 10444.15).

Определение содержания малонового диальдегида (МДА) для оценки антиокислительных свойств (АОА) проводили по методике, основанной на взаимодействии тиобарбитуровой кислоты и низкомолекулярных диальдегидов (Гончаренко, Латинова, 1985).

Для определения потенциальной антиокислительной активности (ПАА) хитозана использовали модифицированный спектрофотометрический метод (Новгородцева и др., 2003; Gorbi, Regoli, 2003; Максимова и др., 2009). Модификация обусловлена физическими свойствами растворов хитозана. Определение ПАА осуществляли по отношению к радикал-катиону ABTS^+? - диаммониевая соль 2,2'-азино-бис(3-этилбензтиазолин-6-сульфоновой кислоты), который при восстановлении характеризуется уменьшением интенсивности полос поглощения в УФ- и видимой областях спектра при длине волны 731 нм.

Определение относительной биологической ценности (ОБЦ) проводили модифицированным методом биотестирования с использованием в качестве тест-объекта реснитчатой инфузории Tetrahymena pyriformis путем единовременной постановки множественного эксперимента (Черемных, 2004).

Медико-биологические исследования осуществляли на лабораторных животных, руководствуясь правилами, принятыми Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и иных научных целей (протокол № 1 от 04.10.2010 г.).

Липотропные свойства объектов с хитозаном оценивали на половозрелых белых крысах-самцах линии Вистар массой 180-300 г. Экспериментальная модель атеросклероза была получена с использованием методики К.А. Мещерской. Развитие атеросклеротического процесса устанавливали по следующим показателям сыворотки крови: содержанию общих липидов (ОЛ), триглицеридов (ТГ), фосфолипидов (ФЛ), холестерина (ХС), отношению ФЛ/ХС, активности аланинаминотрансферазы АлАТ и аспартатаминотрансферазы (АсАТ), количеству липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) и липопротеидов высокой плотности (ЛПВП). Содержание ТГ, ХС, ЛПНП и ЛПВП определяли ферментативным колориметрическим методом, АсАТ и АлАт - с помощью оптимизированного УФ-теста. ОЛ и ФЛ определяли фотометрически при длине волны 530 нм.

Оценку сенсорных свойств хитозансодержащих продуктов осуществляли разработанным методом количественной оценки интенсивности вяжущего вкуса хитозана, приведенным в гл. 3.

Величину эффективности каждого барьера устанавливали расчетным путем, вычитая из допустимого срока хранения продукта значения стойкости, обеспеченные предыдущим барьером. Учет защитного действия каждого барьера основан на экспериментальном определении стойкости объекта, изготовленного с последовательно возрастающим количеством барьеров при всех прочих равных условиях.

Количественную оценку индивидуального вклада барьеров в их совместный антибактериальный эффект проводили по разработанному нами методу. При количественной оценке барьерной эффективности хитозана использовали основные информативные показатели качества продукта: его микробиологическую характеристику, биологическую ценность, степень окисления липидов и сенсорные свойства.

С целью развития представлений о механизме биоцидного действия барьеров введено понятие барьерной решетки как графического аналога барьера.

Экспериментальные исследования проводились с использованием методов планирования многофакторных экспериментов и математического моделирования. Анализ и обработка экспериментального материала осуществлялись методом математической статистики.

Для построения графических моделей функциональной зависимости эффективности использования хитозана в технологии пищевых продуктов из водных биологических ресурсов от характеристик хитозана и параметров условий пищевой среды использовали программное обеспечение Table Curve 3D v. 2.0.6.

Оценку достоверности экспериментальных данных и воспроизводимости опытов осуществляли по методике Э.Э. Рафалес-Ламарка и В.Г. Николаева.

Для обеспечения надежности результатов в научных экспериментах принята доверительная вероятность Р = 0,95 и доверительный интервал Д±5, в технологических разработках - Р = 0,90, Д±10.

Глава 3 Исследование и совершенствование сенсорных свойств хитозана. При экспериментальном моделировании продуктов с хитозаном учитывали прямую зависимость их качества от количества внесенного биополимера. Адекватный уровень потребления хитозана составляет 5, верхний допустимый - 15 г/сут. В связи с этим была поставлена задача исследовать сенсорные свойства пищевого хитозана и разработать рекомендации по совершенствованию вкуса биополимера и ХСП.

Исследованы последовательность возникновения указанного вкуса среди других и области ротовой полости, наиболее чувствительные к вяжущему вкусу хитозана. Охарактеризована специфика восприятия вяжущего вкуса хитозана. Экспериментально определены и рекомендованы нейтрализаторы послевкусия. Для количественной оценки интенсивности вяжущего вкуса хитозана и ХСП использован метод балльных шкал.

Разработанная шкала принята как составная часть изданного методического руководства при оценке вкуса хитозана и ХСП. Установленный факт связи вяжущего вкуса хитозана с его природой подтверждают данные литературных источников, опубликованные после завершения наших исследований.

Поскольку вяжущий вкус, обусловленный хитозаном, обнаруживается достоверно, технологической задачей являлось снижение ИВВХ в полимере либо его декорирование в ХСП.

Установлена дифференциация ИВВХ в зависимости от вида сырья, из которого получен полимер. Максимальные значения интенсивности характерны для хитозана из панциря ракообразных - краба, креветки, криля, гаммаруса, а минимальные - для хитозана из нетрадиционного сырья - комнатной мухи.

Определена линейная зависимость между ИВВХ и концентрацией хитозана в уксуснокислых растворах и обратная - между ИВВХ и ММ хитозана.

Результаты исследования влияния на ИВВХ состава пищевой среды - основных (рис. 3) и вспомогательных материалов (табл. 1) - позволили сформулировать рекомендации по направленному декорированию вяжущего вкуса хитозана. Результаты последующих работ российских ученых в области технологии молочных продуктов и хлебопечения подтвердили установленные закономерности (Алиева и др., 2002, 2004; Евдокимов и др., 2006).



Рисунок 3 Интенсивность вяжущего вкуса хитозана в различных пищевых продуктах: 1 - рыба, 2 - мясо, 3 - кефир, 4 - творог, 5 - хлеб

Наше предположение о наличии определенного резерва снижения ИВВХ в его технологии было подтверждено экспериментально.

Снижение ИВВХ (с 4,5 до 1,6 балла), достигнутое обработкой хитозана жидким азотом в герметичных условиях в течение 2-4 мин или в условиях испаряющегося азота - 10 мин, представляет собой наиболее эффективный и технологичный из известных в настоящее время способ улучшения сенсорных свойств полимера.

Таблица 1

Состав модельных систем (МС) и их характеристика

Компонент системы

Номер образца

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Мышечная ткань горбуши

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Раствор хитозана

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Растительное масло (5 %)

+

+

+

+

+

Сахар (3 %)

+

+

+

+

+

Поваренная соль (3 %)

+

+

+

+

Уксусная кислота (1 %)

+

+

+

Крахмал (2 %)

+

+

Величина рН

7,0

6,7

6,8

6,8

6,8

6,5

6,5

6,8

6,8

6,5

6,8

Сенсорная оценка ИВВХ, балл

0

3,2

3,0

1,8

1,6

2,7

2,6

2,4

1,2

3,4

2,8

Разработанные пути снижения и декорирования ИВВХ позволяют использовать разномолекулярный хитозан концентрацией порядка 0,5 % без отрицательного влияния на сенсорные свойства ХСП.

Глава 4 Разработка теоретических основ технологии хитозансодержащих функциональных продуктов из водных биоресурсов. Для решения поставленной задачи изучены зависимости функционально-технологических и функционально-физиологических свойств (ФТС и ФФС) хитозана от характеристик полимера: ММ, фазового состояния, растворимости, а также технологических параметров - режима обработки и хранения и состава пищевой среды.

Поскольку микробиологические и окислительные процессы являются основной причиной снижения качества рыбных продуктов и продолжительности их хранения, в первую очередь исследовали взаимосвязь барьерной активности хитозана в пищевой среде из водных биоресурсов с его характеристиками.

На первом этапе проведены исследования при концентрации хитозана в модельных системах (МС) 0,15 %, что близко к ее минимальным значениям в технологии пищевых продуктов. МС весь период хранения при температуре 4±1 єС отличались на 2-3 порядка от контроля (без хитозана) более низкими значениями КМАФАнМ. что свидетельствует о проявлении хитозаном АМА.

В дальнейшем уровень АМА исследован в более высоком диапазоне концентраций (0,24-0,48 %), при которых технологический эффект хитозана достигает, как правило, рациональных значений (рис. 4-6).

Анализ полученных результатов выявляет различие характера роста микроорганизмов в контрольных МС с характерной для кулинарной продукции динамикой и МС, изготовленных с добавлением хитозана. На первом, бактериостатическом, участке КМАФАнМ снижался у всех МС с хитозаном в среднем до 110² и сохранялся определенное время на этом уровне.

Рисунок 4 Динамика КМАФАнМ в контрольных МС: а - фарш сырой (МС-1), б - фарш бланшированный (МС-2), в и г - фарш с добавлением соответственно воды (МС-3) и уксусной кислоты (МС-4)

Рисунок 5 Динамика КМАФАнМ в МС с ВРСХ-55

Следующий участок кривых характеризуется интенсивным (логарифмическим) ростом КМАФАнМ во времени, который сохраняется и за пределами допустимого уровня контаминации модельного продукта.

По данным рис. 4-6 графоаналитическим методом из точки пересечения значений экспериментального и допустимого уровней КМАФАнМ вычислены продолжительность допустимого срока хранения ₁ и продолжительность бактериостатического периода ₂ для МС различного состава. Поскольку уровень ₂ отражает длительность постоянства КМАФАнМ МС, то его доля по отношению к ₁ принята как индекс надежности (ИН) антимикробного препарата (табл. 2). Хитозаны всех исследуемых ММ при концентрации 0,24 % отличаются низким (не более 30 %) значением ИН, которое возрастает до 70-80 % при повышении содержания хитозана в продукте. Максимальное значение ИН отмечено в МС с ВРСХ-55, минимальное - в МС с ВМХ-588.

Рисунок 6 Динамика КМАФАнМ в МС с НМХ-32

Таблица 2

Сравнительные значения ₁ и ₂ для МС с разномолекулярным хитозаном различных концентраций, сут*

МС	1	2	1/2 (ИН), %
	Концентрация хитозана, %
	0,24	0,32	0,40	0,48	0,24	0,32	0,40	0,48	0,24	0,32	0,40	0,48
ВРСХ-55	7	9	17	18	2	8	14	18	29	89	82	100**
НМХ-32	6	10	14	17	0	7	9	14	0	70	63	82
ВМХ-270	6	10			13	15	9	11	33	60	69	73
ВМХ-588	8	10	11	12	2	6	8	7	25	60	73	58

* Значения округлены до ближайших меньших целых.

** В пределах эксперимента рост КМАФАнМ не наблюдался.

Анализ переменных факторов показывает, что степень влияния ММ хитозана на продолжительность допустимого срока хранения и в целом на антимикробный эффект полимера неоднозначна, что, вероятно, объясняется различной силой электростатического взаимодействия разномолекулярного хитозана и зависит от его концентрации в МС.

Установленные функциональные зависимости продолжительности бактериостатического периода действия хитозана (рис. 7) и допустимого срока хранения МС (рис. 8) от ММ полимера и концентрации его в продукте представлены в виде графических моделей.

Рисунок 7 Функциональная зависимость продолжительности бактериостатического периода действия хитозана от его ММ и концентрации

Рисунок 8 Функциональная зависимость продолжительности допустимого срока хранения МС от ММ и концентрации хитозана

Математическая обработка результатов исследования позволила описать зависимость на рис. 7 следующим уравнением:

; (1)

Х₁Є [32: 588] кДа, Х₂Є [0,24: 0,48] %,

где Y - продолжительность бактерицидного эффекта, сут; X₁ - молекулярная масса, кДа; X₂ - концентрация хитозана, %; достоверность аппроксимации составила R² = 0,95.

Аналитическая модель графической зависимости на рис. 8 описана уравнением (2):

; (2)

Х₁Є [32: 588] кДа, Х₂Є [0,24: 0,48] %,

где Y - продолжительность допустимого срока хранения рыбного продукта, сут; достоверность аппроксимации составила R² = 0,99.

Индивидуальный эффект хитозана как барьера, оцененный по разработанной нами методике, независимо от ММ, при концентрации порядка 0,5 % в его совместном действии с тепловой обработкой и охлаждением продукта в хранении составляет более половины общего антимикробного действия барьеров.

Установлено, что промышленные хитозаны с ММ в пределах 32-588 кДа обладают сопоставимой АМА в пищевых средах из водных биоресурсов с некоторым преимуществом водорастворимого хитозана. Порядок ранжирования хитозана с разной ММ по величине АМА меняется в зависимости от концентрации полимера.

Для оценки барьерной эффективности хитозана определяли его ПАА и проявленные полимером антиокислительные свойства в пищевой (рыбной) среде.

Установлено, что при одной концентрации тролокса (стандарта) и растворов хитозана начальная ПАА полимера выше, чем стандарта. Однако рассчитать тролоксовый эквивалент ПАА для хитозана ВМХ-588 кДа не представлялось возможным в связи с высокой вязкостью растворов.

ПАА низкомолекулярных хитозанов (ВРСХ-55 и НМХ-32) значительно отличалась от ПАА тролокса и составила соответственно 0,2 и 0,5 ед. (рис. 9).

Рисунок 9 ПАА хитозана относительно активности тролокса

В дальнейших исследованиях АОА хитозана также оценивали по количеству малонового диальдегида, динамика накопления которого согласуется c его потенциальной активностью и порогом сенсорной чувствительности запаха окисленного жира.

Установленные барьерные свойства хитозана в диапазоне концентраций от 0,24 до 0,48 % предопределяют увеличение стойкости в хранении ХСП в 1,5-3,0 раза и подтверждают возможность его использования в качестве антимикробного препарата и антиоксиданта в технологии ХСП из водных биоресурсов.

Поскольку обеспечение соответствия заявленной полезности для здоровья определяется стабильностью нутриента в данной пищевой среде, осуществлены исследования влияния на лечебные свойства хитозана его ММ, состава пищевой среды и режимных параметров её обработки.

При исследовании физиологической активности хитозана в зависимости от его ММ готовили рационы для экспериментальных животных с использованием двух видов хитозана - ВРСХ-55 и ВМХ-588, уровень которых в корме (бланшированный фарш минтая) составлял 0,48 %. Рацион без хитозана (контроль) включал виварный корм в равной смеси с бланшированным фаршем минтая.

Сравнительное исследование динамики биохимических показателей сыворотки крови (табл. 3) позволяет отметить достоверное улучшение состояния биообъектов, принимающих корм с обоими видами хитозана. Об этом свидетельствуют снижение в сыворотке крови (СК) содержания ОЛ, ХС, ТГ, ЛПНП, АлАТ, АсАТ и приближение их значений к исходным данным, которые получены на здоровых животных, не достигших экспериментальной модели атеросклероза. В то же время наблюдается больший медико-биологический эффект высокомолекулярного хитозана, который и использовали в дальнейших медико-биологических исследованиях.

Таблица 3

Биохимические показатели сыворотки крови биообъектов при скармливании кормов с хитозаном различной ММ

Показатель	Продолжительность кормления, сут
	0	15	30
	Исходный	Экспериментальный	Контроль без хитозана	ВРСХ-55	ВМХ-588	Контроль без хитозана	ВРСХ-55	ВМХ-588
ОЛ, г/л	3,48±0,04	4,84±0,02	4,81±0,04	3,24±0,05	3,20±0,05	4,80±0,03	3,21±0,08	3,16±0,07
ХС, моль/л	2,38±0,05	5,52±0,12	5,50±0,08	2,69±0,06	1,73±0,09	5,50±0,10	2,49±0,05	1,50±0,07
ТГ, моль/л	0,67±0,02	1,61±0,04	1,61±0,02	0,87±0,02	0,41±0,08	1,59±0,03	0,78±0,14	0,41±0,06
ФЛ, моль/л	1,5±0,04	2,11±0,06	2,10±0,07	1,74±0,19	1,88±0,08	2,09±0,04	1,76±0,02	2,02±0,06
ЛПВП, г/л	3,36±0,11	2,51±0,01	2,49±0,01	2,96±0,05	3,12±0,12	2,49±0,02	2,86±0,03	3,17±0,04
ЛПНП, г/л	3,07±0,42	4,90±0,13	4,79±0,07	3,69±0,09	2,91±0,06	4,70±0,14	3,31±0,11	3,02±0,04
АсАТ, моль/(ч·л)	0,89±0,12	1,81±0,07	1,77±0,05	0,79±0,09	0,72±0,03	1,78±0,06	0,71±0,03	0,50±0,04
АлАТ СК, моль/(ч·л)	0,58±0,01	1,22±0,05	1,20±0,03	0,79±0,07	0,48±0,07	1,19±0,06	0,53±0,06	0,47±0,02
ФЛ/ХС	0,63±0,02	0,38±0,03	0,38±0,06	0,65±0,13	1,09±0,07	0,38±0,04	0,71±0,04	1,34±0,06
ЛПВП/ЛПНП	1,09±0,01	0,51±0,02	0,52±0,04	0,80±0,07	1,06±0,07	0,53±0,02	0,86±0,07	1,05±0,10
Коэффициент де Ритиса	1,53±0,14	1,48±0,04	1,48±0,03	1,00±0,08	1,50±0,04	1,50±0,03	1,34±0,04	1,08±0,06

Исследование лечебного эффекта хитозана ВМХ-588, включенного в состав диет, оценено в совместном его присутствии с альгинатом натрия и коптильным препаратом в различных вариантах (табл. 4).

Биохимические показатели сыворотки крови биообъектов, достигших модели атеросклероза и содержавшихся в дальнейшем на виварном рационе без добавок (контроль), а также биообъектов, принимавших корм с индивидуальными и смешанными добавками, представлены на рис. 10 и 11.

Таблица 4

Состав рационов с хитозаном и другими компонентами, %

Номер и наименование рациона	Виварный корм	Фарш минтая	Гель хитозана 4 %	Раствор альгината натрия 4 %	Коптильный препарат разбавленный
1. Контрольный	100	-	-	-	-
2. С добавлением хитозана (ХТЗ)	50	38	12 (0,48)*	-	-
3. С добавлением альгината натрия (АН)	50	38	-	12 (0,48)*	-
4. С добавлением коптильного препарата (КП)**	50	38	-	-	12
5. Смесь ХТЗ:АН (1,0:0,5)	50	38	8 (0,32)*	4 (0,16)*	-
6. ХТЗ:АН (1:2)	50	38	4 (0,16)*	8 (0,32)*	-
7. ХТЗ:КП (1,0:0,5)	50	38	8 (0,32)*	-	4 (0,16)*
8. ХТЗ:КП (1:2)	50	38	4 (0,16)*	-	8 (0,32)*

* Содержание компонента в пересчете на сухое вещество.

** Коптильный препарат разбавлен в соответствии с ТУ.

Значения всех исследованных биологических показателей свидетельствуют о том, что присутствие альгината натрия или коптильного препарата в рыбных продуктах, включающих хитозан, не снижает его лечебный эффект. Более того, альгинат натрия в присутствии хитозана проявляет индивидуальное медико-биологическое действие, чем увеличивает суммарный физиологический эффект.

Таким образом, с учетом подтвержденной совместимости хитозана с компонентами пищи (сохранение технологического и физиологического эффекта в присутствие альгината натрия и коптильного препарата) при разработке технологии ХСП допустимо варьирование рецептурным составом.

Для обоснования использования хитозана в качестве функционального компонента в термически обработанных рыбных продуктах проводили медико-биологическую оценку пищевых систем с полимером, подвергнутым температурной обработке. В эксперименте хитозан (ММ 588) подвергался нагреванию при температуре 90, 120 и 160 °С (экспозиция - 15 мин), что моделирует условия, близкие к режимам соответственно бланширования, стерилизации и обжаривания, принятым в технологии рыбных продуктов.

В отрицательном диапазоне для обработки хитозана использована температура минус 196 °С (жидкий азот), воздействию которой может быть подвергнут полимер с целью снижения ИВВХ.

Обработка хитозана в диапазоне исследованных температур в определенной степени затрагивает его технологические свойства (цвет, вязкость), но не выводит полимер за пределы стандартного.



Рисунок 10 Биохимические показатели сыворотки крови животных, получавших корм с хитозаном и другими компонентами

Результаты биохимических показателей крови исходных и экспериментальных животных, получавших корм с термообработанным хитозаном, на разных временных стадиях исследования представлены на рис. 12 и 13.

Анализ динамики показателей сыворотки крови выявляет их достоверное положительное изменение. Присутствие в корме экспериментальных животных хитозанов различной термообработки вызывает сходные по характеру, но незначительно сдвинутые по количественному уровню изменения показателей. Выраженное липотропное действие хитозана в составе систем проявляется в снижении показателей атеросклероза на 65-75 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 Динамика изменения биохимических индексов сыворотки крови: ЛПВП/ЛПНП, ФЛ/ХС СК и коэффициента де Ритиса. Обозначения рационов как на рис. 10

Сохраняя положительную антисклеротическую направленность, рацион с криообработанным хитозаном имеет меньшую эффективность физиологического действия. Причина снижения лечебного эффекта хитозана в результате криообработки, по всей видимости, кроется в потере полимером физиологически активных низкомолекулярных фракций во время контакта с жидким азотом.

Величина медико-биологического, в данном случае липотропного, эффекта прежде всего определяется содержанием холестерина в сыворотке крови.

Математическая обработка результатов исследования позволила выявить функциональную зависимость антихолестеринового эффекта, характеризующегося содержанием холестерина в сыворотке крови, от концентрации хитозана в рыбном продукте и температуры его тепловой обработки (рис. 14).

Представленная зависимость описывается следующим уравнением:

; (3)

Х₁Є [90: 160] ^оС, Х₂Є [0,16: 0,48] %,

где Y - антихолестериновый эффект (содержание холестерина, ммоль/л); X₁ - температура, ⁰С; X₂ - концентрация хитозана, %; достоверность аппроксимации составила R² = 0,99.

Таким образом, при исследованном диапазоне температур обработки от минус 196 до плюс 160 ⁰С гарантированно сохраняются функционально-технологические и функционально-физиологические свойства хитозана.

Рисунок 12 Динамика биохимических показателей сыворотки крови животных, содержавшихся на разных диетах: 1 - виварная диета; 2 - с необработанным хитозаном (контроль); 3, 4 и 5 - с хитозаном, обработанным при температуре соответственно 90, 120 и 160 °С; 6 - с криообработанным хитозаном

Рисунок 13 Динамика индексов ЛПВП/ЛПНП и ФЛ/ХС СК и коэффициента де Ритиса по времени. Обозначения 1-6 как на рис. 12

С целью установления безвредности и уровня токсичности хитозансодержащих продуктов из водных биоресурсов модельные рыбные системы подвергали биотестированию. В результате установлена закономерность экспоненциального характера: максимальное количество клеток тест-культуры обнаруживается при содержании хитозана в объекте в пределах 0,1-0,3, промежуточное - при 0,4, а минимальное - при 0,5 % (рис. 15).

Аналитически представленная зависимость описывается уравнением:

; (4)

Х₁Є [55: 588] кДа, Х₂Є [0,1: 0,5] %,

где Y - относительная биологическая ценность, ед.; X₁ - молекулярная масса, ⁰С; X₂ - концентрация хитозана, %; достоверность аппроксимации составила R² = 0,99.

Судя по литературным данным (Хитин и хитозан…, 2002, 2010), применение хитозана в технологии пищевых продуктов предполагает ифференцированное использование его полезных свойств: сорбционных, адгезивных, структурообразующих, антимикробных, антиоксидантных, физиологических и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 Зависимость антихолестеринового эффекта от концентрации хитозана и температуры тепловой обработки