Научно-практические основы создания ферментированных молочных продуктов для функционального питания с использованием продуктов переработки кедрового ореха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, доктор наук Хантургаев Андрей Германович

• Хантургаев Андрей Германович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Хантургаев Андрей Германович

Введение

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Современное состояние и перспективы производства продуктов функционального питания

1.2 Кедровый орех как источник биологически активных веществ

1.3 Способы переработки ядра кедрового ореха

1.4 Химический состав и биологическая ценность скорлупы семян сосны сибирской

1.5 Использование пробиотических микроорганизмов при производстве

ферментированных молочных продуктов

Глава 2 Организация проведения экспериментов, материалы и методы исследования

2.1 Постановка эксперимента

2.2 Методы исследований

2.3 Статистическая обработка результатов

Глава 3 Исследование влияния ЭМП СВЧ на качество продуктов переработки ядра кедрового ореха

3.1 Изучение процесса экстракции кедрового масла из ядра кедрового ореха в ЭМП СВЧ

3.1.1 Исследование физико-химических характеристик кедрового масла

3.1.2 Исследование структуры липидов кедрового масла методами ИК, ЯМР-спектроскопии

3.1.3 Исследование химического состава кедрового шрота после экстракции в ЭМП СВЧ

3.2 Исследование качественных характеристик кедрового масла и жмыха, полученных методом прессования с использованием ЭМП СВЧ

Глава 4 Выбор и обоснование технологических режимов производства

БАД

4.1 Исследование условий иммобилизации бифидобактерий на кедровом шроте

4.2 Влияние дозы закваски на биохимические и микробиологические процессы при ферментации кедрового шрота

4.3 Исследование режимов консервирования ферментированного кедрового шрота

4.4 Исследование сроков хранения сухого ферментированного шрота

4.5 Разработка технологии получения биологически активной добавки.... 137 Глава 5 Разработка технологии бифидосодержащих кисломолочных биопродуктов на основе вторичного сырья переработки кедрового ореха

5.1 Проектирование инновационных биопродуктов для функционального питания с использованием рБО-методологии

5.2 Разработка кисломолочного биопродукта с кедровым шротом

5.2.1 Исследование биохимической активности бифидобактерий при культивировании в молоке с кедровым шротом

5.2.2 Исследование влияния кедрового шрота на процесс брожения

5.2.3 Изучение влияния шрота на реологические свойства кисломолочного биопродукта

5.2.4 Исследование химического состава кисломолочного биопродукта с добавлением кедрового шрота

5.2.5 Исследование стойкости кисломолочного биопродукта в процессе хранения

5.2.6 Технология кисломолочного биопродукта с едровым шротом

5.3 Разработка кисломолочного биопродукта с кдровым жмыхом

5.3.1 Выбор и обоснование технологических режимов производства биопродукта на основе кедрового жмыха

5.3.2 Влияние кедрового жмыха на реологические свойства кисломолочного биопродукта

5.3.3 Исследование влияния кедрового жмыха на морфологию бифидо-бактерий

5.3.4 Исследование адгезии и когезии бифидобактреий с кедровым жмыхом

5.3.5 Обоснование технологических параметров производства биопродуктов со жмыхом ядра кедрового ореха

5.4 Исследовнаие конкурентоспособности инновационных биопродуктов.. 182 Глава 6 Разработка способа извлечения таннидов и их практическая реа- 187 лизация

6.1 Исследование процесса экстракции скорлупы семян сосны сибирской различными экстрагентами

6.2 Оптимизация процесса получения таннидосодержащего экстракта из скорлупы семян сосны сибирской под воздействием ЭМП СВЧ

6.2.1 Водная экстракция скорлупы семян сосны сибирской в ЭМП СВЧ

6.2.2 Водно-спиртовая экстракция скорлупы семян сосны сибирской в ЭМП СВЧ

6.2.3 Водно-содовая экстракция скорлупы семян сосны сибирской в ЭМП СВЧ

6.3 Влияние различных факторов на выход экстрактивных веществ из скорлупы кедрового ореха

6.4 Комбинированная экстракция скорлупы семян сосны сибирской в ЭМП СВЧ

6.5 Применение кедровых таннидов при проектировании напитков функционального назначения

6.5.1 Разработка технологии ферментированных сывороточных напитков

с использованием таннидов

6.5.1.1 Выбор оптимальных условий культивирования пропионовокислых бактерий в творожной сыворотке

6.5.1.2 Динамика титруемой и активной кислотности в процессе ферментации сыворотки пропионовокислыми бактериями

6.5.1.3 Количественный учет пропионовокислых бактерий в процессе ферментации

6.5.1.4 Исследование витаминообразующей способности пропионовокислых бактерий

6.5.1.5 Влияние таннидов на формирование качества ферментированного

сывороточного напитка

6.5.2 Разработка технологии квасного напитка

6.5.2.1 Оптимизация среды для производства квасного напитка

6.5.2.2 Исследование содержания спирта

6.5.2.3 Исследование содержания диоксида углерода

6.5.2.4 Выбор способа внесения концентрата пропионовокислых бактерий и таннидов

6.5.2.5 Изучение свободных аминокислот

6.5.2.6 Исследование сроков хранения квасного напитка

6.5.2.7 Технологическая схема производства квасного напитка

6.6 Исследование биологически активных веществ ферментированных

сывороточных напитков

6.6.1 Исследование антибиотических веществ

6.6.2 Исследование антимутагенной активности ферментированных сывороточных напитков

6.6.3 Исследование синтеза витаминов группы В

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

Приложение А Патент «Способ получения кедрового масла»

Приложение Б Акт о проведении производственных испытаний технологии комплексной переработки кедрового ореха в ООО «МИП «Байкал-

ЭкоПродукт»

Приложение В Акты внедрения технологии комплексной переработки

кедрового ореха

Приложение Г Техническая документация на масло кедровое прессовое

нерафинированное

Приложение Д Техническая документация на жмых кедровый пищевой

Приложение Е Хроматограмма кедрового масла

Приложение Ж Декларации соответствия и протоколы испытаний на кедровое масло и жмых

Приложение И Акт о проведении производственных испытаний получения БАД

Приложение К Свидетельство о получении золотой медали за масло кедровое

Приложение Л Патент «Способ получения кисломолочного продукта».... 374 Приложение М Акты о проведении производственных испытаний получения кисломолочных биопродуктов в ООО «МИП «БИФИВИТ»

Приложение Н Техническая документация на кисломолочный биопродукт

«Бифимикс»

Приложение П Патент «Способ получения экстрактивных веществ из

скорлупы семян сосны сибирской»

Приложение Р Акты о проведении производственных испытаний и внедрения технологии получения экстрактивных веществ в ООО «ЗАМ»

Приложение С Лицензионный договор о передаче права на использование изобретения «Способ получения экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской»

Приложение Т Техническая документация на экстракты из скорлупы кедрового ореха

Приложение У Акт о проведении производственных испытаний получения ферментированного сывороточного напитка в ООО «МИП «БИФИ-

ВИТ»

Приложение Ф Акт о проведении производственных испытаний получения квасного напитка в ООО «Аква»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-практические основы создания ферментированных молочных продуктов для функционального питания с использованием продуктов переработки кедрового ореха»

Введение

Актуальность работы. В конце ХХ века была принята новая мировая концепция «Здоровое питание», в основу которой заложена программа «Пробиотики и функциональное питание». 25 октября 2010 г. распоряжением правительства Российской Федерации от №1873-р были определены задачи государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года - расширение отечественного производства основных видов сырья, отвечающего современным требованиям качества и безопасности, наряду с производством пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, в том числе продуктов функционального назначения.

Одним из уникальных и безопасных видов сырья для получения продуктов функционального назначения являются семена сосны сибирской (кедровые орехи) [ 384, 376, 385 ]. Продуктами переработки кедрового ореха традиционно являются масло, жмых и шрот, содержащие необходимые организму биологически активные вещества. В качестве отхода остается скорлупа кедрового ореха (56-60%).

Анализ литературных данных показал, что практическое применение кедрового жмыха, шрота, экстрактов из скорлупы кедрового ореха в пищевой промышленности ограничено, а ценные свойства продуктов переработки кедрового ореха не используются в полной мере в функциональном питании. Кроме того, при создании функциональных продуктов особая роль принадлежит пробиотическим микроорганизмам, которые восстанавливают микробиом человека. Особенно эффективно применение пробиотических микроорганизмов с пищевыми продуктами, содержащими, так называемые, бифидогенные факторы, стимулирующие рост и развитие бифидобактерий в желудочно-кишечном тракте, к которым относятся продукты переработки кедрового ореха.

В связи с этим сочетание полезных свойств продуктов переработки кедрового ореха и пробиотических микроорганизмов для создания бифидосодержащих

продуктов пробиотического назначения является актуальной задачей, имеющей важное значение в области питания и медицины.

Учитывая актуальность темы, в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления разработаны научные и практические основы производства функциональных продуктов на основе вторичного сырья переработки кедрового ореха и пробиотических микроорганизмов. Результаты исследований обобщены и представлены в настоящей диссертационной работе.

Степень разработанности темы исследования. Изучением технологий переработки кедрового ореха и созданием новых продуктов питания с повышенной пищевой и биологической ценностью с использованием ядер кедрового ореха и продуктов его переработки занимались российские и зарубежные исследователи: Е.Ю. Егорова, М.А. Субботина, Л.П. Рубчевская, К.Б. Оффан, С.Ю. Гарма-шов, О.И. Долматова, Н.А. Тарасенко, С.Н. Никонович, Е.С. Вайнерман, С.Н. Дырдин, Lantto T.A., Cai L.Y., Xiao L., Maughan R.J. и другие.

Существенный теоретический и практический вклад в развитие технологий продуктов функционального питания, а также молочных продуктов с лечебно -профилактическими свойствами внесли ученые отечественных школ: И.А. Рогов, В.А. Тутельян, Н.С., А.Г. Храмцов, И.С. Хамагаева, Л.А. Остроумов, А.Ю. Просеков, С.И. Артюхова, В.Ф. Семенихина, Н.И. Дунченко, В.И. Ганина, Н.А. Тихомирова, Л.В. Голубева, И.А. Евдокимов, З.С. Зобкова, А.А. Майоров, Л.А. Забо-далова, Г.Б. Гаврилов, Н.Б. Гаврилова, Н. Б. Захарова, В.Д. Харитонов и многие другие.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка технологии биопродуктов функционального питания с использованием вторичного сырья, полученного при переработке кедрового ореха.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• изучить влияние ЭМП СВЧ на качество продуктов переработки кедрового ореха - химический состав кедрового масла, жмыха и шрота, полученных при различных способах извлечения масла;

• теоретически и экспериментально обосновать использование кедрового шрота и жмыха для создания продуктов функционального питания;

• подобрать условия иммобилизации клеток бифидобактерий при их гете-рофазном культивировании на среде с кедровым шротом;

• изучить устойчивость иммобилизованных клеток бифидобактерий при технологической обработке и в процессе хранения;

• обосновать технологические параметры производства иммобилизованных биологически активных добавок;

• изучить влияние кедрового шрота и жмыха на процесс ферментации и потребительские свойства кисломолочных биопродуктов;

• разработать технологию производства кисломолочных биопродуктов с кедровым шротом и жмыхом и оценить их качество;

• разработать способ извлечения таннидов из скорлупы кедрового ореха и изучить их антиоксидантную активность;

• исследовать влияние таннидов на формирование потребительских свойств и сроки хранения пробиотических сывороточных напитков;

• изучить пробиотические свойства сывороточных напитков;

• разработать нормативную документацию на производство и внедрение инновационных биопродуктов;

• оценить экономическую эффективность промышленного производства разработанных технологий.

Научная концепция диссертационной работы. В основу научной концепции выдвинута гипотеза об использовании экологически чистых продуктов переработки кедрового ореха Байкальского региона в качестве функциональных ингредиентов для создания инновационных технологий производства БАД и биопродуктов с синбиотическими свойствами.

Научная новизна. Впервые предложен метод обработки кедрового ореха в ЭМП СВЧ, позволяющий сохранить пищевую ценность исходного сырья, значительно интенсифицировать процессы получения экологически чистой продукции

- кедрового масла, жмыха, шрота, экстракта из скорлупы кедрового ореха, используемых в функциональном питании. Установлено, что мягкие режимы экстракции и кратковременная обработка кедрового ореха с использованием ЭМП СВЧ уменьшают денатурационные процессы в белках шрота и повышают его биологическую ценность [ 443 , 460 , 461 ].

Предложен принципиально новый метод иммобилизации бифидобактерий при их непосредственном гетерофазном культивировании в питательной среде с адсорбентом, кедровым шротом. Создана гипоаллергенная питательная среда, не содержащая лактозы и белков молока и обеспечивающая активный рост бифидо-бактерий. Установлено, что иммобилизация бифидобактерий на кедровом шроте способствует повышению стрессоустойчивости бифидобактерий при технологической обработке и сохраняет в жизнеспособном состоянии клетки при длительном хранении. Доказана высокая биохимическая активность бифидобактерий при ферментации кедрового шрота, что свидетельствует о его пребиотических свойствах.

С использованием методологии структурирования качества спроектированы инновационные биопродукты, отвечающие пожеланиям потребителей, где в качестве функциональных ингредиентов использованы кедровый шрот и жмых. Установлено, что функциональные ингредиенты обладают бифидогенными свойствами, интенсифицируют процесс бифидоброжения и повышают количество жизнеспособных клеток в кисломолочных биопродуктах.

Отмечено, что при внесении кедрового шрота и жмыха при ферментации образуются тиксотропно-обратимые связи, обеспечивающие наибольшую способность разрушенного сгустка к восстановлению структуры и формирующие вязкую стабильную консистенцию.

Разработан способ извлечения таннидов из скорлупы кедрового ореха. Установлено, что водно-спиртовая экстракция с СВЧ-нагревом позволяет интенсифицировать процесс и увеличить выход таннидов. Отмечена высокая антиокси-дантная активность таннидов, полученная из скорлупы кедровых орехов.

Применение таннидов при производстве сывороточных напитков повышает их качество и пробиотические свойства. Высокая антиоксидантная активность таннидов сохраняет качество сывороточных напитков в процессе длительного хранения.

Теоретическая, практическая значимость и реализация результатов работы. Получены новые знания о функционально-технологических свойствах вторичных продуктов переработки кедрового ореха, позволяющие их использовать при производстве продуктов функционального питания. На основании теоретических разработок и результатов экспериментальных исследований созданы и внедрены инновационные технологии производства ферментированных молочных биопродуктов с использованием функциональных ингредиентов, полученных при переработке кедрового шрота.

Разработаны и утверждены технологические инструкции и технические условия: ТУ и ТИ 9141-001-73225681-2005 «Масло кедровое прессовое нерафинированное», ТУ и ТИ 9146-002-73225681-2005 «Жмых кедровый пищевой», ТУ и ТИ 10.41.29-001-66510843-2018 «Масло кедровое нерафинированное. Масло кедровое нерафинированное с добавками», ТУ и ТИ 10.41.41-003-66510843-2018 «Жмых кедровый пищевой. Жмых кедровый пищевой с добавками». Получены декларации соответствия на кедровое масло, жмых и шрот.

На основе проведенных исследований и анализа полученных результатов разработаны технологии получения сухой БАД с кедровым шротом. Утверждены технологическая ТУ и ТИ 10.86.10-007-66510777-2016 «Биопродукт кисломолочный «Бифимикс» для дошкольного и школьногос питания». Разработаны технологии получения кисломолочных биопродуктов с кедровым жмыхом и закваски бифидобактерий (патент Яи №2284118).

Разработана технология получения экстрактивных веществ (таннидов) из скорлупы кедрового ореха в ЭМП СВЧ (патент Яи №2351641), ТУ и ТИ 10.89.19009-66510843-2018 «Экстракты пищевые из скорлупы кедрового ореха. Танни-ды».

Разработаны технологии получения ферментированных сывороточных и

квасных напитков с таннидами.

Разработанные технологии производства функциональных ингредиентов и ферментированных молочных продуктов прошли опытно-промышленную проверку в ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт» и ООО «МИП «Бифивит» и внедрены на предприятиях Республики Бурятия и Иркутской области: ООО «Дикоросы Бурятии», ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт», ООО «МИП «Бифивит», ООО «Вита», ЗАО «Охотник», ООО «ЗАМ», ООО «Аква».

Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов направлений 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения», 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья», 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания», а также курсовом и дипломном проектировании.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационной работы являются теоретические исследования трудов отечественных и зарубежных ученых по вопросам переработки кедрового ореха и использования кедрового сырья и пробиотических микроорганизмов при создании функциональных продуктов. При проведении исследований использовали стандартные, общепринятые и оригинальные методы сбора, обработки и анализа научной информации, органолептические, физико-химические, реологические, атомно-абсорбционные, микробиологические методы анализа, в том числе микроскопи-рование, спектрометрию, хроматографию и др.

Основные положения, выносимые на защиту. Концепция создания функциональных продуктов питания с использованием ингредиентов кедрового ореха:

- инновационный способ комплексной переработки кедрового ореха;

- научное обоснование использования вторичного сырья, полученного при переработке кедрового ореха для создания продуктов функционального питания;

- разработка нового метода иммобилизации бифидобактерий при непосредственном культивировании в среде с кедровым шротом;

- разработка кисломолочных биопродуктов с использованием кедрового шрота и жмыха в качестве функциональных ингредиентов;

- способ извлечения таннидов из скорлупы кедрового ореха и их применение при производстве сывороточных напитков.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены, обсуждены и получили одобрение на конференциях различного уровня, в том числе: «Проблемы экологии и рационального природопользования Дальнего Востока» (Владивосток, 2000), «Пищевой белок и экология» (Москва, 2000), «Техника и технология обработки и переработки пищевых продуктов» (Улан-Удэ, 2000), «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков» (Томск, 2000), «Биологически активные добавки и здоровое питание» (Улан-Удэ, 2001), «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел, 2001), «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (Чита, 2001), «Пробиотические микроорганизмы - современное состояние вопроса и перспективы исследования» (Москва, 2002), «Экология: образование, наука, промышленность, здоровье» (Белгород,

2004), «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Томск-Улан-Удэ,

2005), «Актуальные вопросы безопасности в техносфере» (Улан-Удэ, 2012); «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 2012); «Селенга - река без границ» (Улан-Удэ - Улан-Батор, 2012); «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск 2013), «Наука и образование в ХХ! веке: теория, практика, инновации» (Москва, 2014); 5-й международной конференции по науке и технологиям (Лондон, 2015); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ГОУ ВПО ВСГТУ (Улан-Удэ, 2001-2015), «Химическое образование и утилизация природных ресурсов» (Улан-Батор, 2016); «Проблемы динамики и прочности современных машин» (Улан-Удэ, 2016), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ГОУ ВО ВСГУТУ (2016-2017), Национальной научно-практической конференции ВСГУТУ секция «Пищевые технологии. Товароведение и экспертиза продоволь-

ственных товаров» (Улан-Удэ, 2019).

Продукты переработки кедрового ореха - масло, жмых, шрот, экстракты из скорлупы кедрового ореха и кисломолочные биопродукты представлялись на российских и международных выставках и награждены почетными дипломами: 9 -й Китайско-Российско-Монгольской выставки по науке и технике (г. Манчжурия, 2012), 10-й и 12-й Китайской (Манчьжурской) Северной международной научно -технической выставки (г. Манчжурия, 2013, 2015). Кедровое масло удостоено золотой медали международного конкурса «Лучшие товары и услуги - Гемма» (2014). Кедровый жмых награжден дипломом международной межотраслевой торговой Улан-Удэнской ярмарки.

Автор научной работы награжден почетной грамотой Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов (2015), почетной грамотой Правительства Республики Бурятия за многолетний и плодотворный труд в области инновационных разработок и технологий (2018).

Публикации результатов исследований. Основные положения работы опубликованы в 52 научных работах, в том числе в одной монографии, 13 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьях в международных изданиях, входящих в наукометрические базы данных Scopus, 3 патентах на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка литературных источников из 595 наименований. Диссертация содержит 396 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 88 таблиц и 51 страницу приложений.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований 1.1 Современное состояние и перспективы производства продуктов

функционального питания

Резкое ухудшение экологической обстановки во всем мире, связанное с техническим прогрессом, повлияло и на качественный состав потребляемой человеком пищи. Это в свою очередь, привело к появлению новых и резкому увеличению числа старых известных заболеваний, связанных с неправильным питанием.

Поэтому мировые тенденции в области питания связаны с созданием ассортимента продуктов, способствующих улучшению качества жизни людей, так называемых, продуктов функционального питания.

К настоящему времени интенсивные работы по изучению и разработке правильного функционального питания ведутся в Японии, США, России, Германии, Франции, Великобритании и др. странах [ 310 , 504 , 505 , 506 , 507 , 508 , 509 , 510 , 511 ].

Под термином функционального питания (ФП) подразумевают продукты питания, содержащие ингредиенты, которые приносят пользу здоровому человеку, повышают его сопротивляемость заболеваниям, способны улучшить многие физиологические процессы в организме.

По мнению японских ученых, которые являются основоположниками теории функционального питания, к основным категориям данного направления относятся: пищевые волокна, эйкозопентаеновая кислота (ЕРА), олигосахариды и бифидобактерии [ 129 , 131 , 259 , 345 , 497 , 496 , 494 ].

Однако, данные научных исследований последних лет свидетельствуют, что функциональное питание не исчерпывается этим перечнем.

По теории Д.Поттера, на сегодняшнем этапе развития пищевой отрасли эффективно используются 7 основных видов функциональных ингредиентов: пищевые волокна, витамины, антиокислители, минеральные вещества, полиненасы-

щенные жирные кислоты, олигосахариды, бифидобактерии [ 27 , 41 , 245 , 441 , 444 , 452 , 463 , 468 ].

Несомненно, каждая категория функционального питания заслуживает особого внимания и глубокого изучения для более полной реализации их потенциала при конструировании новых пищевых продуктов.

В последние десятилетия, в связи с широким внедрением в практику положений теории функционального питания, бурное развитие получила проблема восполнения недостатка грубой растительной пищи в рационе питания человека. В связи с этим, во многих странах ведутся глубокие исследования строения, состава, свойств пищевых волокон, технологии их выделения из исходного растительного сырья, использование в качестве одного из компонентов при создании продуктов питания [ 287 , 292 ].

Пищевые волокна - комплекс биополимеров, включающий полисахариды (целлюлозу, гемицеллюлозу, пектиновые вещества), а также лигнин и связанные с ними белковые вещества, формирующие клеточные стенки растений [ 91 , 130 ].

Целлюлоза составляет в пищевых волокнах примерно одну треть. Ее содержание в растительной пище около 1%, но она в значительной мере структурирует пищу. Целлюлоза практически не переваривается в кишечнике. Ее усвояемость, в большей степени, определяется происхождением, содержанием в пищевом рационе и характером предварительной обработки и колеблется в среднем от 6 до 23% [ 267 ].

В пищеварительном тракте человека целлюлоза стимулирует деятельность кишечника, усиливая его перистальтику, нормализует деятельность кишечной микрофлоры, сорбирует стерины, препятствуя их всасыванию, способствует выделению холестерина [ 89 ].

Гемицеллюлозы составляют значительную часть пищевых волокон и представляют собой группу полисахаридов: арабинанов, ксиланов, галактанов. Каждая из групп подразделяется на подгруппы, принадлежность к которым определяется составом и строением разветвленной части молекулы [ 387 , 91 , 232 ].

Полисахариды гемицеллюлоз формируют разнообразное растительное сырье: злаковые и древесные растения, овощи, фрукты, ягоды и травы. Они образуют клеточные стенки различных микроорганизмов. Их содержание зависит от вида сырья и может достигать 38-39 % (пленки овса, кукурузные стержни), 18-19 % (древесина ели) [ 135 , 256 , 386 ].

Роль гемицеллюлоз в питании многогранна. Они безвредны для человека и перевариваются в зависимости от строения на 69-95 %. Гемицеллюлозы служат источником энергии, влияют на липидный обмен, играют роль энтеросорбентов, снижают содержание холестерина, сорбируют микрофлору, соли тяжелых металлов [ 59 , 127 , 386 ].

Пектиновые вещества - полигалактурониды, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований растений. В большинстве случаев пектиновые вещества - гетерополисахариды, сформированные из галактуронана, араби-нана, галактана[381].

В пищевой промышленности используется свойство пектина связывать влагу, благодаря которому формируется консистенция продуктов, увеличиваются сроки хранения за счет снижения количества свободной влаги [381].

Все возрастающую роль, пектин, получает как энтеросорбент экологически вредных веществ: радионуклидов, солей тяжелых металлов, многих токсичных органических веществ, выводя их из организма [156].

Лигнин формирует значительную часть пищевых волокон и представляет собой высокомолекулярное вещество - соединение нерегулярного строения, построенное из частично метилированных производных фенилпропана, содержащих различное количество гидроксильных, карбонильных, карбоксильных и феноль-ных групп [343,153].

Содержание лигнина определяется ботанической принадлежностью растений и характером анатомической его части. Результаты оценки количества лигнина показали, что максимальное его количество содержится в оболочке гречихи (31%), у черной сосны (30,5%), восточной ели (29,6%), в подсолнечной лузге (26 -27,9%), у белой березы (23,8 %).

Многочисленные исследования свидетельствуют, что лигнин широко используется в практической медицине как энтеросорбент: отмечена сорбционная активность лигнина к ионам тяжелых металлов (Си, РЬ, Сё), холестерину, желчным кислотам, фенолу, щелочам [ 142 , 153 ].

Лечебный лигнин применяется при острых и хронических заболеваниях желудочно-кишечного тракта инфекционной и неинфекционной этиологии, диспепсических расстройствах, токсиногенных и послеоперационных парезах кишечника, острых воспалительных заболеваниях.

В настоящее время существует несколько классификаций пищевых волокон. По строению полимеров они делятся на гомогенные (целлюлоза, пектин, лигнин, альгиновая кислота) и гетерогенные (целлюлозолигнины, гемицеллюлозо-целлюлозолигнины). По виду сырья пищевые волокна целесообразно разделять на пищевые волокна из низших растений (водорослей, грибов) и высших растений (злаков, трав, древесных). По физико-химическим свойствам, медико-биологическим особенностям целесообразно различать на растворимые в воде (пектин, камеди, слизи, растворимые фракции гемицеллюлозы) и нерастворимые (целлюлоза, лигнин, части гемицеллюлоз, ксиланы), а также полисахариды, в свою очередь подразделяющиеся на структурированные (целлюлоза, гемицеллю-лоза, пектин) и неструктурированные (слизи, камеди, искусственные полимеры) [ 131 , 232 ].

Пищевые волокна влияют на обмен липидов (пищевые волокна пшеничных отрубей, трав, виноградных выжимок, пектины, целлюлоза, лигнин), обмен углеводов (пищевые волокна трав, пектины), обмен аминокислот и белков (глюкоман-наны), обмен минеральных веществ (пищевые волокна пшеничных отрубей, свеклы) [ 86 , 186 ].

Все компоненты пищевых волокон находятся в тесном межмолекулярном взаимодействии. Поэтому для пищевых волокон характерен ряд физико-химических свойств, в том числе водоудерживающая способность, ионообменные и др. особенности.

Роль пищевых волокон в питании многообразна [ 232 , 245 , 350 ]. Она состоит не только в частичном снабжении организма человека энергией, выведения из его ряда метаболитов пищи и загрязняющих ее веществ, но и в регуляции физиологических, биохимических процессов в органах пищеварения.

Функциональные свойства пищевых волокон связаны в основном с работой желудочно-кишечного тракта [ 350 , 525 ].

Пищевые волокна взаимодействуют с белками, ферментами, гормонами, продуктами распада углеводов, пептидами и аминокислотами, жирными и др. кислотами в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте человека [ 288 ].

Пища, богатая волокнами, оказывает положительное влияние на процессы пищеварения.

Дефицит пищевых волокон в питании человека ведет к замедлению кишечной перистальтики, развитию дискинезий. Наряду с участием в регуляции деятельности кишечника, пищевые волокна, оказывают нормализующее влияние на моторную функцию желчевыводящих путей, стимулируя процессы выведения желчи, способствуют выведению из организма холестерина и токсичных соединений. Недостаточное потребление пищевых волокон рассматривается как фактор риска развития болезней обмена веществ, злокачественных новообразований.

Кроме этого, пищевые волокна играют положительную роль в нормализации состава микрофлоры кишечника, в ингибировании гнилостных процессов.

Различными исследователями было установлено, что в принципе нормальная кишечная микрофлора, наряду с волокноподобными олигосахаридами, усваивает и полисахариды пищевых волокон - устойчивый крахмал, полисахариды растительных клеточных стенок, гемицеллюлозу, пектин, камеди [ 238 , 232 , 245 ].

Признается, что пищевые волокна стимулируют рост нормальной микрофлоры неселективно. Их потребление, особенно в течение длительного периода, способствует положительным сдвигам в функциональном состоянии желудочно-кишечного тракта, благотворно сказывается на его двигательной и эвакуаторной функциях [ 37 , 153 ].

Исследования С.А. Шевелевой с соавторами показали, что введение пищевых волокон в рацион не сопровождалось выраженным ростом лактобацилл и би-фидобактерий. Однако, при длительном приеме пектина и пшеничных отрубей, отмечена четкая элиминация из микробиоценоза дефектных штаммов защитной микрофлоры и атипичных для эубиоза представителей [ 525 ].

Результаты исследований зарубежных ученых, полученные на подопытных животных, свидетельствуют, что при получении диеты с пищевыми волокнами на 90% уменьшалась инвазия в энтероциты и проникновение бактерий через стенку кишечника [ 581 ], повышалась усвояемость жира и азота по сравнению с контрольной группой [ 432 ].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Хантургаев Андрей Германович, 2019 год

- 30 С.

Максимальное образование пропионовой кислоты штаммом

о

Propionibacteriumshermanii происходило при температуре 24 С при инкубировании культуры в течение 16 дней, а максимальный синтез корриноидов при

о о

температуре 18 С - 27 С. Оптимальное значение рН для роста пропионовокислых бактерий 6,5-7,0, при рН 5,0 рост практически отсутствует.

Пропионовокислые бактерии относят к солеустойчивым бактериям. При содержании в лактатной среде 4% хлорида натрия происходит нормальный рост и брожение. При насыщении среды кислородом наблюдается увеличение удельной скорости роста, экономического коэффициента и окислительной активности клеток. Причем при 12% насыщении продукты брожения (пропионовая и уксусные кислоты) практически отсутствовали, что свидетельствует о переключении метаболизма с брожения на дыхание [ 65 , 483 , 527 ].

Пропионовокислые бактерии могут синтезировать все аминокислоты за счет ассимиляции азота сульфата аммония. Сравнительное изучение влияния различных солей аммония на рост Propionibacteriumshermanii показало, что наиболее благоприятен уксуснокислый и щавелевокислый аммоний, а наименее нитрит аммония, хлорид аммония и фосфат аммония являются равноценными источниками азота для пропионовокислых бактерий [ 299 ].

Вероятно, способность к усвоению неорганического азота зависит от видовой и, возможно, штаммовой принадлежности, количества и возраста инокулята, состава фоновых сред. Известно, что пропионовокислые бактерии содержат пепти-дазы, при участии которых обеспечивают себя незаменимыми аминокислотами. Исключение из синтетической среды, содержащей 18 аминокислот, группы аспара-гиновой кислоты, вызывало наименьшую задержку роста Propionibacterium shermanii и Propionibacterium arabinosum. Внесение в среду с сульфатом аммония глутамата, орнитина, цитруллина и, особенно, аргинина вызывало значи-

тельный стимулирующий эффект. Предполагают наличие у пропионовокислых бактерий орнитин-уреазного цикла, связанного с взаимопревращением глутаминовой кислоты - оргинита - цитруллина - аргинина - орнитина. Бактерии, осуществляя реакцию трансаминирования, могут расти на любой из 20 аминокислот, внесенной в среду в качестве единственного источника азота. Известно, что серосодержащие аминокислоты стимулируют рост пропионовокислых бактерий. Из серосодержащих аминокислот пептидов молока бактерии образуют диметилсульфид (обладающий антимутагенным действием). Также пропионовокислые бактерии обладают способностью к биосинтезу сульфитокобаламина (корриноидного соединения, в котором атом СО связан с SO3) [ 299 , 49 , 65 , 67 , 71 , 189 ].

В качестве источника углерода для синтезов наиболее благоприятна глюкоза, хотя пропионовокислые бактерии неплохо растут на лактозе, лактате, пиру-вате, глицерине.

Пропионовокислые бактерии синтезируют значительное количество жирных кислот, липидов и фосфолипидов. Среди жирных кислот - основная у Propionibacterium shermanii - 12 - метилдекановая кислота, обнаружены пен-тодекановая, оксадекановая и С14 - насыщенная жирная кислота [ 147 ].

Пропионовокислые бактерии в значительных количествах синтезируют полифосфаты. Солерастворимые полифосфаты могут участвовать в синтезе нуклеиновых кислот [ 299 ].

Биосинтез витамина В12 пропионовокислыми бактериями происходит параллельно развитию культуры, который накапливается и клетках. На образование витамина благоприятное влияние оказывает наличие молочной кислоты, которая хорошо используется этими бактериями, создает элективностъ условий [ 73 , 166 ].

Пропионовокислые бактерии, благодаря целому ряду положительных свойств, нашли широкое применение в народном хозяйстве и медицине.

В первую очередь они известны, как активные продуценты витаминов группы В, особенно В12.В настоящее время витамин В12 производится только путем ферментации пропионовокислыми бактериями. Промышленность выпускает два типа препаратов витамина В12; медицинский и кормовой концентрат В12(КМБ-12) для

животноводства. Медицинские препараты получают с использованием мутантных штаммов P. freudenreichii и Р. shermanii [ 351 , 591 ].

Витамин В12 регулирует основные обменные процессы в организме, способствует повышению иммунного статуса, поддерживает нервную систему в здоровом состоянии [ 299 ].

В кормопроизводстве витамин добавляют в комбикорм для свиней и птиц, особенно благоприятное действие на животных оказывает сочетание витамина с малыми дозами антибиотиков, в частности биомицина. Витамин В12 воздействует на кроветворную функцию и на обмен белков, принимает участие в регуляции оптимального содержания в организме животного метионина, валина, треонина, лейцина, изолейцина [ 459 ].

Пропионовокислые бактерии относятся к естественной микрофлоре рубца жвачных. Они снижают избыточную кислотность перекисленных силосов, взывающих у животных ацидоз (кетоз). Образующиеся в процессе брожения пропионовая и уксусная кислоты хорошо утилизируются животными. Липолитическая и протео-литическая активности некоторых штаммов способствует перевариванию кормов.

Для человека перечисленные полезные свойства бактерий, полное отсутствие у них токсичности позволило рекомендовать их в качестве лечебно-профилактических препаратов. Пропионовокислые бактерии благодаря целому ряду положительных свойств нашли широкое применение в народном хозяйстве и медицине.

Также используют продукты, выделяемые бактериями при брожении, пропио-новую и уксусную кислоты. Пропионовую кислоту используют для пищевых и кормовых целей и для сохранения зерна. Пропионовая кислота служит хорошим фунгицидом и в концентрации (0,5-1)% задерживает рост грибов. В качестве фунгицида её применяют в США, Англии, Германии. Зерно, опрыснутое слабым раствором пропионовой кислоты, не плесневеет, находясь под легким навесом даже в дождливую погоду.

Некоторые штаммы пропионовокислых бактерий синтезируют в больших количествах порфирины. Порфирины и их металлокомплексы нашли практическое

применение как красители и пигменты, включая красители для пищевых целей: катализаторы электрических реакций окисления-восстановления; катализаторы реакций передачи в цепи при радикальной полимеризации метакрилов; катализаторы реакций окисления углеводородов, полупроводники и фотополупроводники; комплек-сообразователи для обогащения радиоактивных изотопов. Для промышленного получения порфиринов перспективен штамм Р. Granulosum [ 299 ].

Пагубное действие на организмы многих радиационных излучений и многих химических мутагенов связано с возникновением свободных радикалов. Свободные радикалы часто вовлекаются в активацию многих типов прокарциногенов и прому-тагенов, превращая их в карциногены и мутагены и связывая этиактивированные формы с ДНК. Лучевая болезнь, многие формы рака и ряд других тяжелых заболеваний связаны прямо или косвенно с образованием радикалов.

В слюне и человеческой сыворотке содержится СОД, пероксидаза и каталаза -антиокислители, снижающие уровень Н2О2 и О2 и представляющие собой одну из форм естественной защиты организма от действия мутагенных факторов. Клинические исследования показали, что СОД оказывает высокий положительный эффект при лечении сердечных приступов, связанных с повреждениями сердечной мышцы. СОД имеет перспективы применения не только в медицине, но и в пищевой промышленности, где в сочетании с каталазой и пероксидазой может использоваться для предотвращения окисления липидов и других ценных компонентов пищи.

Пропионовокислые бактерии служат довольно хорошим источником СОД, и их ценность в этом качестве возрастает в связи с возможностью комплексной переработки биомассы. Фильтрат после отделения разрушенных клеток содержит ката-лазу, пероксидазу и СОД и может быть использован как антиокислительный препарат [ 299 ].

В 1989 г. Воробьевой Л. И., Чердынцевой Т. А. и др. была впервые обнаружена антимутагенность пропионовокислых бактерий против азида № (КаЫ3) и НГ. Это открыло новое перспективное направление: изучение бактериального антимутагенеза. Антимутагены повышают активность ферментных систем, участвующих в детоксификации поступающих в клетку веществ, влияют на окислительно-

восстановительный потенциал организма. Бактерии, как источники антибиомутаге-нов или десмутагенов, могут быть использованы для предобработки пищевых продуктов и кормов с целью нейтрализации мутагенных (канцерогенных) веществ, а также как пробиотики [ 65 , 339 , 394 , 402 , 404 ]. В частности, культуральная жид-кость,полученная после выращивания и отделения биомассы пропионовокислых бактерий, может служить недорогим источником антимутагенов [ 299 , 65 , 339 ].

Широкое применение пропионовокислые бактерии нашли в пищевой промышленности. Их, наряду с молочнокислыми бактериями и дрожжами, вводятв некоторые закваски для теста с целью образования в процессе ферментации помимо молочной и уксусной кислот ещё и пропионовой.

При внесении в тесто такой закваски хлеб содержит 0,1% уксусной, 0,2% молочной, 0,1% пропионовой кислоты (по отношению к весу муки). Такого количества пропионовой кислоты достаточно для проявления фунгицидного действия, без заметного влияния на вкус и аромат выпекаемого хлеба.

Сыроделие - наиболее древняя биотехнология, использующая биохимическую активность пропионовокислых бактерий. Первые исследования пропионовокислых бактерий были связаны с изучением их роли в созревании сыров. Наиболее высокими органолептическими свойствами и длительными сроками хранения обладают твердые сычужные сыры с высокой температурой второго нагревания, при изготовлении которых принимают участие пропионовокислые бактерии. Общее правило, касающееся использования этих бактерий в созревании сыров гласит: вреден как недостаток, так и избыток бактерий, но без их участия сыр нужного качества изготовить невозможно; могут получиться «слепые», то есть сыры без глазков или с другими дефектами [ 299 ].

Высокая температура второго нагревания содействует развитию термофильных молочнокислых стрептококков и пропионовокислых бактерий. По-солка оказывает сдерживающее влияние на интенсивность развития микрофлоры сыра: задерживается рост молочнокислых палочек и пропионовокислых бактерий. Физиологические особенности пропионовокислых бактерий: термоустойчивость, отсутст-

о

вие роста при высоких температурах, задержка роста при температуре 9 С, способ-

ность сбраживать лактаты, находятся в соответствии с технологическим режимом сыроварения. После второго нагревания большая часть молочнокислых мезофиль-ных палочек погибает, а образованный ими лактат начинает активно сбраживаться пропионовокислыми бактериями. Происходит пропионовокислое брожение, в результате которого образуются витамин В12, уксусная кислота и СО2. Кислоты обеспечивают специфический острый вкус сыров и участвуют в консервации молочного белка-казеина. Гидролитическое расщепление липидов с образованием жирных кислот важно для развития органолептических свойств сыра, образования пролина и других аминокислот, а также летучих веществ: ацетоина, диацетила, диметилсуль-фида, ацетальдегида, участвующих в формировании аромата сыра. Углекислота, образующаяся в процессе пропионовокислого брожения лактата и декарбоксилиро-вания аминокислот (главным образом), участвуют в создании рисунка сыра (глазков) [ 299 ].

Пропионовокислые бактерии нашли применение и в производстве кисломолочных продуктов. В России изготовлен кисломолочный напиток, закваска которого включает уксуснокислые бактерии Acetobacterialovaniense, вязкие расы молочнокислых стрептококков и Р. БЬегшапп в соотношении штаммов (2,5-3,5):(9-11):(3-4). Сырьём служит смесь молока с творожной сывороткой в соотношении 9:1-7:3. Разбавление молока творожной сыворотке приводит к экономии молока, но вместе с тем и к разбавлению его вследствие чего содержание в продукте сухих веществ, витаминов, белка снижается [ 299 ]. Эти неизбежные потери компенсируются использованием в составе закваски бактерий, синтезирующих белки, витамины, внеклеточные полисахариды, увеличивающие вязкость продукта. Активными продуцентами внеклеточных полисахаридов служат некоторые штаммы уксуснокислых бактерий. В симбиозе со стрептококками образование внеклеточных полимеров увеличивалось P. Shermanii и A. Lovaniense в виде монокультур: росли в молоке, а в смеси росли и вызывали его свертывание за 32-36 часов, обогащая молоко витамином В12 и другими витаминами группы. Однако при совместном культивировании с молочнокислыми стрептококками наблюдали снижение содержания витаминов, которые, по-видимому,

последними утилизировались. Поэтому при изготовлении напитка уксуснокислые и пропионовокислые бактерии выращивают в сыворотке (где хорошо растут), а молочнокислые и уксуснокислые - в молоке с последующим смешиванием компонентов [ 299 , 343 ].

Грудзинской Э.Е., Максимовой А.К., Овановой Г.Г. разработан способ производства сметаны. В молоко вносят закваску, в состав которой входят пропионово-кислые бактерии. Полученный продукт богат витаминами группы В (В1, В2, В12), фо-лиевой кислотой, микроэлементами, в том числе железом, а также другими продуктами метаболизма в легкоусвояемой форме, который обладает лечебными свойствами. Срок хранения сметаны составляет 10 суток [ 78 ].

Известно, что пропионовокислые бактерии являются слабыми кислотообразо-вателями и не способны самостоятельно ферментировать молоко. Потому, ранее их применяли только в симбиозе с другими молочнокислыми бактериями. В ВосточноСибирском государственном университете технологий и управления, на кафедре «Технология молочных продуктов. Товароведение и экспертиза товаров» Хамагае-вой И.С., Белозеровой Л.М. и Тумуровой С.М. разработан бактериальные концентрат пропионовокислых бактерий, обладающий высокой биохимической активностью для получения кисломолочных продуктов. С использованием бактериального концентрата пропионовокислых бактерий разработаны: «Целебный», «Целебный, обогащенный селеном», «Бифимикс», «Пропионикс кефирный» [ 299 ].

Кисломолочные продукты с пропииновокислыми бактериями - инновационные продукты, которые обладают нежной консистенцией, приятным специфическим вкусом, умеренной кислотностью, содержат высокое количество живых клеток бифидобактерий, пропионовокислых бактерий и витамина В12 [ 299 ].

Данные продукты содержат ценные, легкоусвояемые белки, жиры и углеводы, полный набор незаменимых аминокислот, комплекс витаминов, ферментов и биологически активных веществ, способствующих быстрому перевариванию и усвоению пищи [ 299 ].

Преимущества кисломолочных продуктов с пропионовокислыми бактериями заключаются в том, что они обладают антимутагенными и иммуногенными

свойствами, синтезируют антиоксидантные ферменты: каталазу, пероксидазу и супероксиддисмутазу, которые защищают организм от мутаций и предотвращают развитие рака и генетических заболеваний [389,390,392].

Таким образом, уникальные физиолого-биохимические свойства бифидобак-терий и пропионовокислых бактерий позволяют использовать их при производстве ферментированных продуктов в сочетании со жмыхом, шротом и таннидами для создания биологически активных добавок и биопродуктов с синбиотическими свойствами.

Анализ представленных литературных данных показал, что современный период развития человечества характеризуется увеличением числа заболеваний связанных с нарушением питания. Проблема усугубляется также наблюдающимся дефицитом в рационе питания Россиян биологически активных компонентов, пищевых волокон, белка, ненасыщенных жирных кислот и минеральных веществ [ 321 ].

В условиях все возрастающей интенсификации техногенного воздействия цивилизации происходят значительные микроэкологические нарушения в человеческом организме, имеющие серьезные последствия, как для отдельных индиви-думов, так и в обществе в целом.

В этой связи, в последние годы во всем мире получило широкое признание развитие нового направления в пищевой промышленности, так называемое функциональное питание, под которым подразумевается использование таких продуктов естественного происхождения, которые при систематическом употреблении оказывают позитивное действие на организм человека [ 105 , 321 , 388 , 387 , 405 , 410 , 414 , 418 ].

Приведенные в литературных источниках данные свидетельствуют о высоком химическом потенциале ядра кедрового ореха, который содержит уникальный по качественному и количественному составу минеральный комплекс и в сочетании с белковыми и углеводными компонентами может рассматриваться в качестве ценного сырья для получения биологически активных добавок и кисломолочных биопродуктов для функционального питания.

Вместе с тем, следует отметить, что в настоящее время в литературе отсутствует полная и объективная информация, касающаяся химического состава ядра кедрового ореха и продуктов его переработки. Недостаточно сведений по рациональному использованию продуктов переработки ядра кедрового ореха при производстве пищевых продуктов.

Таким образом, вторичные продукты переработки кедрового ореха: шрот, жмых, танниды обладают значительным биологическим потенциалом и могут быть использованы для производства широкого ассортимента продуктов с самыми разнообразными свойствами. Однако одним из перспективных направлений их использования - это сочетание с пробиотическими микроорганизмами для создания биологически активных добавок и биопродуктов на молочной основе с син-биотическими свойствами.

Основной целью диссертационной работы является создание ферментированных молочных продуктов для функционального питания с использованием пробиотических микроорганизмов и вторичных продуктов переработки кедрового ореха.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:

• изучить влияние ЭМП СВЧ на качество продуктов переработки кедрового ореха - химический состав кедрового масла, жмыха и шрота, полученных при различных способах извлечения масла;

• теоретически и экспериментально обосновать использование кедрового шрота и жмыха для создания продуктов функционального питания;

• подобрать условия иммобилизации клеток бифидобактерий при их гете-рофазном культивировании на среде с кедровым шротом;

• изучить устойчивость иммобилизованных клеток бифидобактерий при технологической обработке и в процессе хранения;

• обосновать технологические параметры производства иммобилизованных биологически активных добавок;

• изучить влияние кедрового шрота и жмыха на процесс ферментации и потребительские свойства кисломолочных биопродуктов;

• разработать технологию производства кисломолочных биопродуктов с кедровым шротом и жмыхом и оценить их качество;

• разработать способ извлечения таннидов из скорлупы кедрового ореха и изучить их антиоксидантную активность;

• исследовать влияние таннидов на формирование потребительских свойств и сроки хранения пробиотических сывороточных напитков;

• изучить пробиотические свойства сывороточных напитков;

• разработать нормативную документацию на производство и внедрение инновационных биопродуктов;

• оценить экономическую эффективность промышленного производства разработанных технологий.

Глава 2 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1 Постановка эксперимента

Теоретические и экспериментальные исследования осуществлены в период с 2001 по 2019 годы в соответствие с общей схемой проведения исследований, представленной на рисунке 2.1

Объектами исследований в эксперименте служили кедровое масло, полученное методами СВЧ-экстракции и прессования с предварительной СВЧ обработкой, кедровый жмых и кедровый шрот - белково-углеводный остаток, полученный при извлечении кедрового масла из семян сосны сибирской (кедровых орехов) с применением ЭМП СВЧ, Bifidobacterium longum В379М, полученный из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов ФГУП ГосНИИ «Генетика», активизированный биотехническим методом, разработанным в ВСГУТУ, сухая биологически активная добавка с кедровым шротом, кисломолочные биопродукты с кедровым шротом и жмыхом, ферментированный сывороточный и квасной напитки с экстрактом скорлупы кедрового ореха (таннидами).

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры «Биомедицинская техника. Процессы и аппараты пищевых производств» Института пищевой инженерии и биотехнологии ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления».

Ряд исследований выполнен на базе лаборатории ООО «Малое инновационное предприятие «Бифивит» ФГБОУ ВО ВСГУТУ, аккредитованной лаборатории ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Республике Бурятия» (г. Улан-Удэ), лаборатории химии растительного сырья БИП СО РАН.

Рисунок 2.1 - Схема проведения исследования

Опытно-промышленные образцы продукции и полуфабрикатов вырабатывались в производственном цехе ООО «Малое инновационное предприятие «БайкалЭкоПродукт».

При выполнении работы использовались стандартные и специальные методы исследований: органолептические, физико-химические, структурно-механические, биохимические, инструментальные, микробиологические, маркетинговые. Испытания проводились в 3.. .10-кратной повторности.

Графическую интерпретацию и статистическую обработку результатов проводили с использованием стандартных прикладных компьютерных программ Microsoft Excel XP, Statistica 6.0. Использовали непараметрический критерий Манна-Уитни (для сравнения независимых выборок). Значимыми считали различия, если вероятность ошибки р<0,05.

2.2. Методы исследований

При выполнении работы использовались стандартные и специальные методы исследований: органолептические, физико-химические, инструментальные, микробиологические, медико-биологические, маркетинговые и социологические.

Исследование продуктов переработки кедрового ореха

Йодное число определялось по методу Кауфмана.

Число омыления методом, основанным на обработке масла определенным количеством 0.5н раствора щелочи до полного омыления глицеридов и жирных кислот, избыток щелочи титруется кислотой [ 43 ].

Кислотное число характеризует количество свободных жирных кислот, содержащееся в 1 г масла или жира, и выражается количеством мг едкого кали, необходимым для их нейтрализации. Кислотное число является важнейшим показа-

телем качества пищевых масел и жиров и нормируется всеми ГОСТами и техническими условиями. Значение кислотного числа характеризует товарный сорт и доброкачественность пищевых масел и жиров. При несоблюдении условий и сроков их хранения кислотное число увеличивается, что обусловлено в основном гидролизом триглицеридов. Кислотное число масел и жиров может повышаться в результате биологического окисления ненасыщенных жирных кислот глицеридов под действием липоксигеназ.

Сущность методов определения кислотного числа заключается в растворении определенной массы растительного масла в смеси растворителей с последующим титрованием имеющихся свободных жирных кислот водным или спиртовым раствором гидроокиси калия или натрия в присутствии индикатора фенолфталеина. В качестве растворителя применяется нейтральная смесь спирта с диэтиловым эфиром.

Необходимость введения спирта обусловлена следующими причинами:

а) обеспечение растворения мыла в реакционной среде, которое образуется по реакции:

RCOOH + КОН ^ RCOOK+ Н2О.

В отсутствие спирта мыло не растворяется ни в эфире, ни в бензине и выпадает в осадок, что затрудняет правильное определение конца реакции.

б) подавление реакции гидролиза мыла, которая происходит при отсутствии спирта или при его недостатке в растворе.

RCOOK+ Н2О^ RCOOH + КОН.

Перекисное число - количество первичных продуктов окисления масел и жиров - перекисей, способных выделять из водного раствора йодистого калия йод. Выражается в количестве йода в граммах, выделенного перекисями из 100 г жира. Содержание перекисей в маслах и жирах обнаруживается задолго до появления неприятных вкуса и запаха. Содержание перекисных соединений в маслах и жирах обычно невелико, что обусловлено их быстрым превращением в вещества, не содержащие перекисного кислорода. В состав перекисных веществ входят в основном гидроперекиси, перекиси, диалкилперекиси [56].

Метод определения перекисного числа растительных масел основан на окислении йодистого калия перекисями и гидроперекисями, содержащимися в образце, в растворе уксусной кислоты и хлороформа и титровании выделившегося йода раствором тиосульфата натрия :

К1 + СИзСООН ^ Н1 + СН3СООК;

СИз(СИ2)бСИСИ=СИ(СИ2)7СООН+2Н1^СНз(СИ2)бСИСИ=СИ(СИ2)7СООИ +

I I

О-ОИ ОИ+ И2О + 12.

12 + Ка2Б2О3 ^ 2Ка1 + Ка2Б4О6.

Показатель преломления (рефракции) - отношение скорости света с определенной длиной волны в вакууме к скорости света в данной среде, выражается отношением синуса угла падения луча света к синусу угла преломления. Показатель преломления характеризует чистоту масел и жиров и степень их окисления. Показатель преломления возрастает при наличии оксигрупп, увеличении молекулярного веса и количества непредельных жирных кислот в жирно -кислотных радикалах триглицеридов.

Определение показателя преломления кедрового масла проводилось на рефрактометре ИРФ-23.

Метод определения цветного числа - по шкале стандартных растворов йода основан на сравнении интенсивности окраски испытуемого масла с окраской стандартных растворов йода. Цветное число масла выражается количеством мил-

-5

лиграммов свободного йода, содержащегося в 100 см стандартного раствора йода, который имеет при одинаковой с маслом толщине слоя 1 см такую же интенсивность окраски, как испытуемое масло.

Определение минеральных веществ в кедровом шроте и жмыхе проводили с использованием атомно-абсорбционного метода, основанным на распылении раствора минерализата испытуемой пробы в воздушно-ацетиленовом пламени.

Массовая доля влаги и летучих веществ - путем высушивания образца

о

при температуре 100 С до постоянной массы [ 85 ].

Массовая доля фосфорсодержащих веществ в кедровом масле определяли согласно ГОСТ 7824-80.

Исследование фракционного состава кедрового масла проводилось методом тонкослойной хроматографии с использованием денситометрии.

Состав жирных кислот кедрового масла, полученного различными способами, исследован методом газожидкостной хроматографии с использованием стеклянной колонки.

Исследование структуры липидов кедрового масла проводилось с помощью ИК-, ЯМР- спектроскопии. Комбинированное применение ИК-, ЯМР-спектроскопии является одним из наиболее эффективных методов исследования структуры липидов. Он дает обоснованное представление о молекулярной структуре, которое можно использовать для дальнейших исследований [ 114 , 176 , 265 , 365 ].

ИК-спектры снимались для образца без растворителя на спектрофотометре 8РБСОКВ1К-75. ЯМР-спектры для 1%-ного раствора в СБС13 регистрировали на спектрометре БЯХ-500.

Исследование химического состава кедрового шрота: содержание жиров, белков, углеводов по стандартным методикам, используемым в пищевой промышленности.

Масличность кедрового жмыха и шрота определяли методом исчерпывающей экстракции липидов из измельченного материала с использованием аппарата Сокслета.

Массовую долю влаги и летучих веществ - методом высушивания.

Крахмал - поляриметрическим, сахарозу - колориметрическим, глюкозу -глюкозо-оксидазным, декстрины и клетчатку - ферментным методом.

Азотистые вещества определяли методом Кьельдаля.

Молочную кислоту - методом Пиккеринга и Клечча в модификации Л. Шмелевой и др.

Количество летучих жирных кислот измеряли по дистилляционному числу. Содержание доступного лизина - нингидриновым методом.

Аминокислотный состав кедрового шрота, полученного в результате СВЧ-экстракции ядер кедровых орехов этиловым спиртом, определен на аминокислотном анализаторе ЬС 3000 фирмы «Еррепёог!-Вю1:гошк» (ФРГ) с использованием автоматической программы Weanpeak.

Изучение содержания микроэлементов в ядрах кедрового ореха, кедровом масле, жмыхе и шроте проводилось с использованием атомно-абсорбционного метода. Метод основан на распылении раствора минерализа-та испытуемой пробы в воздушно-ацетиленовом пламени. Металлы, находящиеся в растворе минерализата, попадая в пламя, переходят в атомное состояние. Величина адсорбции света с длиной волны, соответствующей резонансной линии, пропорциональна значению концентрации металла в испытуемой пробе.

Для подготовки проб к анализу использовался способ сухой минерализации. Измерения проводились на атомно-абсорбционном спектрофотометре БОЬААЯ М 6 .

Исследование химического состава экстракта скорлупы семян сосны сибирской

Анализ растительных дубильных экстрактов проводили согласно ГОСТ 28508 «Экстракты дубильные растительные. Методы определения». Определяли общий сухой остаток, общее количество растворимых, содержание нетаннидов, вычисляли содержание таннидов, нерастворимых веществ, доброкачественность.

Исследование функциональных биопродуктов

Проектирование инновационного биопродукта для функционального питания - бифидосодержащего продукта, обогащенного кедровым жмыхом -проводилось с использованием рБО-методологии .

Величину активной кислотности бифидосодержащего продукта, обогащенного кедровым жмыхом, определяли потенциометрическим методом с помощью рН-метра.

Титруемую кислотность определяли по ГОСТ 3624-92 [ 8 ] титрованием 0.1н раствором едкого натра с фенолфталеином.

Содержание влаги бифидосодержащего продукта определяли по ГОСТ 3626-73 [ 5 ] .

Содержание массовой доли жира определяли кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867-90 [ 6 ].

Количество азотистых веществ: общий азот, растворимый азот - по Кьельдалю. Общее содержание белка рассчитывали умножением общего содержания азота на коэффициент 6,38.

Протеолитическую активность определяли по методике Грудзинской Э.Г. и Максимовой А.К. [ 78 ] по сумме трех свободных аминокислот: тирозина, триптофана и цистеина в пересчете на тирозин. Для этого в колбочку на 50 см3 отбирали 10 г белкового сгустка, добавляли 5 см 20%-ного раствора трихлорук-

о

сусной кислоты, тщательно перемешивали, смесь охлаждали до (3-5) С, выдерживали 20 мин в охлажденном состоянии, после чего фильтровали через бумажный фильтр. В мерную колбочку на 50 см вносили (1-3) см фильтрата (закваски), а затем добавляли 10 см3 0,5 н раствора гидроокиси натрия и 3 см3 феноль-ного реактива, предварительно разведенного дистиллированной водой в соотношении 1:2, объем смеси в колбочке доводили до метки и перемешивали.

Степень интенсивности синего окрашивания определяли с помощью фото-электроколориметра. Для этого в кювету толщиной 5 мм вводили исследуемый раствор; определение вели с красным светофильтром при длине волны 650 нм; при определении оптической плотности исследуемого раствора контролем является вода. По данным оптической плотности и стандартной кривой, построенной с применением химически чистого препарата тирозина, вычисляли содержание тирозина в исследуемом образце по формуле:

в • п

Х =-, где

10 • а (2.2.1)

Х - содержание тирозина, мг%;

в -

содержание тирозина в 1 см фильтрата с трихлоруксусной кислотой,

п - кратность разведения образца с трихлоруксусной кислотой (п=1,5);

1

- коэффициент перевода результатов в мг%;

количество фильтрата с трихлоруксусной кислотой, см3.

Для получения стандартной кривой готовили стандартный раствор химически чистого тирозина. По оптической плотности и концентрации тирозина в определенных растворах строили калибровочную кривую, которая показана на рисунке 2.2.1.

Содержание доступного лизина определяли нингидриновым методом [453], основанным на колориметрической реакции отдельных фракций белка с нингидриновым реактивом. Нингидриновый реактив вступает в реакцию только со свободными - МН группами, в том числе со свободными - МН группами лизина. Зеиновая фракция белка, не содержащая лизина, дает слабое окрашивание с нингидриновым реактивом, а пептидная группа белка совсем не вступает в реакцию.

л н о о К н о ч с к

ей «

о и ЕТ К н с О

0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

мг % тирозина

Рис 2.2 Калибровочный график по тирозину

Зная содержание белка в навеске, по калибровочной кривой (рисунок 2.2), построенной по DL-лейцину. вычисляли величину коэффициента экстинции, обусловленную колориметрической реакцией нингидринового реактива с зеином.

мглейцина в пробе

Рисунок 2.3 Калибровочный график по ЭЬ - лейцину для определения содержания доступного лизина

Количество доступного лизина рассчитывали по разнице коэффициента экстинции, полученного в результате анализа и коэффициента экстинции для зеи-на, так как в зеиновой фракции не содержится лизин. Стандартные растворы, содержащие от 25 до 500 мкг DL-лейцина. обрабатываются аналогично опытным образцам.

Учитывая разницу молекулярных весов лейцина и лизина [ 59 , 298 ], значения, полученные по калибровочной кривой, увеличивали в 1.1 раза.

Молочную кислоту определяли по методу Пиккеринга и Клегга в модификации Л. Шмелевой, Н. Новотельнова, А. Деревянко.

-5

В колбу на 250 - 300 см вносят 1 г исследуемой белковой массы, прилива-

-5 -5

ют 24 см воды и из бюретки по 5 см BaCI2 0.1 и NaOH, ZnSO4. Для контроля эти

-5

реактивы в той же последовательности добавляют к 25 см воды. Реактивы вводят очень быстро, обязательно перемешивая после добавления каждого из них не менее 30 сек.

Контрольный и исследуемый образцы фильтруют через двойной бумажный

3 3

складчатый фильтр. В мерные цилиндры на 100 см вносят фильтрат и по 0,5 см 1 % -ного раствора FeCL3, доливают до объема дистиллированной водой.

Колориметрирование проводят на фотоэлектоколориметре со светофильтром №2 в кюветах с толщиной 10 мм. Показания оптической плотности по калибровочному графику соответствуют процентному содержанию молочной кислоты. Для построения калибровочного графика подготавливают растворы молоч-

-5

ной кислоты: 1, 10, 20,30, 40, 50 мг в 100 см воды.

Учитывая частичную потерю молочной кислоты вместе с осадком, образовавшемся в результате осаждения реактивами, вводится поправочный коэффициент, равный по оптической плотности + 0,11 ^ + 0,12, что в пересчете на молочную кислоту составляет +0,007^ +0,008 %.

Влияние кедрового жмыха на кислотообразующую способность методом культивирования микроорганизмов Bifidobacterium longum B379M в питательной среде на основе молочной сыворотки с добавлением ростовых факторов по ТУ 9229-001-02069473-2002. О динамике нарастания биомассы судили по оптической плотности.

Антиоксидантную активность танина определяли по накоплению малонового диальдегида (МДА), который является одним из продуктов свободноради-кального окисления липидов. Известным методом оценки уровня МДА является его реакция с тиобарбитуровой кислотой. При высокой температуре в кислой среде МДА реагирует с 2-тио-барбитуровой кислотой с образованием окрашенного

триметинового комплекса, имеющего максимум поглощения при 532 н.м. Основным показателем антиоксидантной активности является разница значений у проб с добавлением танина и контрольного образца без танина. В качестве модельной системы использовали сливочное масло с массовой долей жира 82,5%.

Для приготовления напитка использовали творожную сыворотку ГОСТ Р 53438-2009. Для ферментации сыворотки применяли бактериальный концентрат «Пропионикс» ТУ 9229-007-02069473-2005 .

Количественный учет пропионовокислых бактерий определяли методом предельных разведений на среде ГМК или ГМС по ТУ 10-10-02-789-192-95 [19] .

Дубильные вещества определяли по ГОСТ 28508-90 [ 7 ].

Продукты брожения - пропионовую и уксусную кислоты контролировали методом газожидкостной хроматографии.

Основные физико-химические, микробиологические показатели , органо-лептические, реологические, химический состав, показатели безопасности кисломолочных продуктов определяли стандартными и общепринятыми в исследовательской практике методами.

Активную кислотность определяли по ГОСТ Р 53359-2009 [ 9 ] , количественный учет бифидобактерий - по МУК 4.2.999-00 [105].

Адгезивные свойства изучали на формалинизированных эритроцитах по развернутому методу В.И. Брилис.

Морфологию бактерий изучали путем приготовления препаратов по Граму с последующим микроскопированием в иммерсионной системе с объективом 90.

Фотографии микрокартин клеток бактерий сделаны с помощью цифрового микроскопа USB «БИОР».

Процесс структурообразования образцов изучали на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+PROв центре коллективного пользования ВСГУТУ.

Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью пакета программы Statistica 6. Использовали непараметрический критерий Манна-Уитни (для сравнения независимых выборок). Значимыми считали различия, если вероятность ошибки р<0,05.

2.3 Статистическая обработка результатов

Для объективной оценки полученных экспериментальных данных проводили их математическую обработку по результатам 5-7 повторностей. Исследуемые показатели подвергали обработке методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ЭВМ (IBM PC}, используя пакет стандартных программ.

Статистическая обработка данных заключалась в следующей поэтапной обработке результатов исследований:

1. Среднюю арифметическую (М) определяли по формуле:

n

_ I

М = ^-, (2.3.1.)

n

где X - значение единичного измерения величины; n - число повторностей измерений величины. 2. Среднеквадратичное отклонение (а)определяли по формуле:

а ■

\

I (Xi - M)2 -, (2.3.2)

п

3. Ошибку средней арифметической определяли по формуле:

т = , (2.3.3)

л/иЛ

4. Достоверность средней арифметической определяли по критерию достоверности (1:)согласно формулы:

М

1 = М , (2.3.4.) т

5. Доверительную ошибку (в) определяли по формуле:

в = 1 (а; f )-ш , (2.3.5.) где 1 (а; f ) - критерий Стьюдента.

Для обработки аналитических данных эксперимента была выбрана довери-

n

тельная вероятность а=0,95 при уровне значимости р=0,05.

6. Коэффициент корреляции значений Мх и Му определяли по формуле:

п

X (X - М ) • (у - Му ) Я = , (2.3.6.)

.¿(X - Мх)2 • (у - Му )2

где Мх- средняя арифметическая одного признака;

Му - средняя арифметическая другого зависимого признака.

7. Достоверность коэффициента корреляции определяли по формуле:

шк = , (2.3.7)

л/п

8. Для установления тесноты связи между изучаемыми величинами определяли корреляционное отношение ц по формуле:

(у - у)2 - (у - у )2

т; = -(у ух) , (2.3.8.)

(у- у)

где (у-у)2 - сумма квадратов отклонений индивидуальных значений у от средней арифметической у;

(у-ух )2 - сумма квадратов отклонений вариант от средних ух, соответствующих определенным фиксированным значениям независимой переменной X.

Глава 3 Исследование влияния ЭМП СВЧ на качество продуктов переработки ядра кедрового ореха 3.1 Изучение процесса экстракции кедрового масла из ядра кедрового ореха в ЭМП СВЧ

Химический состав кедрового ореха колеблется в зависимости от района произрастания, климатических и погодных условий. Химический состав и качество кедрового масла зависят от применяемой технологической схемы, режимов производства, технических средств его получения [ 111 , 115 , 118 , 128 ].

Анализ литературных данных показал, что существующие способы получения растительных масел, в том числе кедрового масла имеют ряд недостатков. При прессовом способе применяют жесткие режимы подготовки сырья к прессованию, что ухудшает качество получаемых продуктов. При наиболее эффективном экстракционном способе используются токсичные растворители (бензин, гек-сан, диэтиловый эфир и др.), что влияет на экологическую чистоту конечных продуктов [ 123 , 124 , 126 ].

В связи с этим, выбирая органический растворитель для экстракции липи-дов из кедрового ядра, мы руководствовались требованиями, предъявляемыми к экологически чистым продуктам для пищевой и фармацевтической промышленности

Известно [ 109 , 120 ], что растительные масла относятся к жидкостям с небольшой полярностью. Диэлектрическая проницаемость масел при комнатной температуре находится в пределах 3,0-3,2. Следовательно, растительные масла хорошо растворяются (смешиваются во всех отношениях) в неполярных гидрофобных растворителях (гексане, бензине, бензоле, трихлорэтилене и т.п.) с диэлектрической проницаемостью близкой к диэлектрической проницаемости масел. Растворимость в алифатических углеводородах (бензине, гексане и др.) обусловлена силами межмолекулярного притяжения Ван-дер-Ваальса между углеводородными радикалами жирных кислот и молекулами углеводородов.. По мере увеличения

разницы значений диэлектрических проницаемостей растворителя и масел их взаимная растворимость ухудшается.

Этиловый спирт, имеющий диэлектрическую проницаемость 25,4 при 20оС смешивается с маслами плохо, но при нагревании его растворимость повышается. Растворимость липидов в спиртах обусловливается образованием водородных связей гидроксила спиртов с карбоксилом жирных кислот и силами межмолекулярного притяжения между углеводородными радикалами кислот и спиртов. Вследствие действия этих сил растворимость липидов в спиртах повышается при увеличении молекулярной массы спиртов, а следовательно и действующих сил межмолекулярного притяжения [ 68 ].

Измельченное растительное сырье практически радиопрозрачно для СВЧ-волн. Растворитель - этиловый спирт - в этом диапазоне волн имеет относительно небольшие значения мнимой части диэлектрической проницаемости (фактор потерь), а растительное масло, являясь неполярной жидкостью, не нагревается в ЭМП СВЧ [ 140 , 162 , 165 , 167 ].

Для эффективной экстракции липидов из ядер кедрового ореха этиловым спиртом необходимо максимальное разрушение оболочек липидных структур в клетках ядра и высокая проницаемость слоя материала для растворителя. В связи с этим, очищенные от скорлупы ядра кедровых орехов измельчали, заливали этиловым спиртом и подвергали тепловой обработке в электромагнитном поле сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ).

По окончании экстракции отделяли шрот от мисцеллы (смесь масла с экст-рагентом) центрифугированием. Отделение масла от экстрагента осуществляли в разделительной колонне при комнатной температуре (18-24оС). Остаточное количество спирта удаляли из масла путем выпаривания его в роторно-вакуумном пленочном испарителе (РВПИ) [328]. Спирт без ректификации вновь использовался для экстракции липидов, до тех пор, пока его концентрация не снижалась до 93%. Выход свободных липидов в процессе экстракции (%) рассчитывали по формуле:

А—В -100, где

А (3.1)

А - исходное количество липидов в сырье, г;

В - количество липидов в твердом остатке, г.

С целью выяснения влияния технологических параметров на выход липидов и оптимизации процесса экстракции были проведены факторные эксперименты. Основными факторами, влияющими на процесс экстракции в ЭМП СВЧ, являются удельная мощность Руд,, определяемая из отношения колебательной мощности СВЧ-генератора к массе продукта, продолжительность процесса и соотношение Т:Ж.

Для оценки влияния технологических параметров на процесс экстракции и оптимизации процесса экстракции были проведены факторные эксперменты с использованием математического планирования экспериментов по методу Прото-дьяконова.

Эксперименты проводились по многофакторному многоуровневому плану при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность экстракции, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки оптимальных параметров.

Уровни варьирования изучаемых факторов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Уровни изучаемых факторов

Фактор Уровень варьирования

1 2 3 4 5

Мощность, Вт 450 550 650 750 850

Продолжительность, мин 2 4 6 8 10

Гидромодуль 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75

Выбор интервалов изменения мощности и продолжительности процесса обусловлен техническими и конструктивными особенностями СВЧ-установки, гидромодуль подбирали, основываясь на литературных данных.

На основе запланированных уровней факторов была составлена матрица трехфакторного эксперимента на пяти уровнях, по которой проведены 25 опытов.

Структура матрицы такова, что при проведении всех экспериментов каждый уровень любого фактора встречается один раз с каждым уровнем всех остальных факторов. Для этого каждый уровень каждого фактора задается в эксперименте столько раз, сколько принято уровней. Так, в таблице 3.1, каждый уровень задается три раза. Этим обеспечивается усреднение действия любого фактора при выборке результатов эксперимента на любой уровень любого фактора, т.е. обеспечивается тот же самый эффект, какой достигается при бесконечно большом числе экспериментов со случайной вариацией всех факторов. Тем самым открывается возможность для применения законов математической статистики и достигается экономия в числе экспериментов.

Результаты экспериментальных данных экстракции липидов этиловым спиртом в ЭМП СВЧ приведены в матрице математического планирования экспериментов в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Матрица трехфакторного эксперимента на пяти уровнях

N опы- Х1 Х2 Х3 Уэ Уп Уэ-Уп

та

1 2 3 4 5 6 7

1 1 1 1 76.62 85.76 -9.14

2 1 3 3 92.15 90.63 1.52

3 1 2 2 88.45 88.94 -0.49

4 1 5 5 96.84 89.52 7.32

5 1 4 4 96.72 90.83 5.89

6 3 1 3 83.14 94.59 -11.45

7 3 3 2 97.54 92.83 4.71

8 3 2 5 92.35 93.43 -1.08

9 3 5 4 99.14 94.79 4.35

10 3 4 1 93.80 89.50 4.30

11 2 1 2 81.00 91.13 -10.13

12 2 3 5 94.60 91.72 2.88

13 2 2 4 86.25 93.06 -6.81

14 2 5 1 92.28 87.87 4.41

1 2 3 4 5 6 7

15 2 4 3 97.15 92.86 4.29

16 5 1 5 86.22 95.37 -9.15

17 5 3 4 99.10 96.76 2.34

18 5 2 1 92.40 91.36 1.04

19 5 5 3 99.15 96.56 2.59

20 5 4 2 99.20 94.76 4.44

21 4 1 4 85.06 96.03 -10.97

22 4 3 1 92.60 90.67 1.93

23 4 2 3 95.10 95.83 -0.73

24 4 5 2 99.00 94.04 4.96

25 4 4 5 99.05 94.65 4.40

Из полученных расчетных значений матрицы планирования эксперимента (таблица 3.2) была произведена выборка данных. На основе выборки факторного эксперимента были получены значения частных функций от факторов по всем пяти уровням каждого фактора частных зависимостей, представленные в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Экспериментальные значения частных функций

Функция Уровень Yср

1 2 3 4 5

У1 90.16 90.26 93.19 94.16 95.21 92.60

У2 82.41 90.91 95.20 97.18 97.28 92.60

У3 89.54 93.04 93.34 93.25 93.81 92.60

При выборке на все три уровня используются все 25 значений эксперимента. Это значит, что среднее значение пяти уровней каждой функции равно общему среднему, в данном случае общее среднее Ycр=92.60. Совпадение среднего значения каждой функции с общим средним является критерием отсутствия ошибки в расчетах, как той, так и другой величины, поэтому вычисление этих средних является обязательным.

На основе выборки из таблицы 15 были построены графические зависимости, представленные на рисунке 3.1.

а)

б)

в)

96 -£ 95 -£ 94 -§ 93 -2 92 - I 91 - и 90 - 89 -88 Влияние мощности на выход масла

450 550 650 750 Мощность, Вт 850

ч

ч о

а га

100 95 90 85 80 75 70

£ 95

я 94

5 93

1 92

ч 91 о

90 89 88

Зависимость выхода масла от продолжительности обработки

4 6 8

Продолжительность, мин

10

Зависимость выхода масла от соотношения материал :растворитель

0,75

1,25 Гидромодуль

1,5

1,75

2

1

Рисунок 3.1 - Влияние различных факторов на выход масла: а - влияние мощности на выход масла;

б - зависимость выхода масла от продолжительности обработки; в - зависимость выхода масла от соотношения материал : растворитель.

Анализ полученных экспериментальных данных (рисунок 3.1) показал, что максимальный выход кедрового масла наблюдается при следующих технологических параметрах: продолжительность 6 - 8 минут, мощность излучения 800-850 Вт, гидромодуль 1,25 - 1,5.

После подбора всех частных зависимостей их расчетные значения при матричных уровнях аргументов сводятся в таблицу 3.4.

Таблица 3.4 - Расчетные значения частных функций

Функция Уровень Yср

1 2 3 4 5

У1 = -0.00002Х12 + 0.046X1 + 73.224 89.18 91.37 93.07| 94.28 95.00 92.58

У2 = -0.82655Х22 + 12.302Х2 + 54.376 75.67 90.36 98.43 99.89 94.74 91.82

У3 = -12.44560Х32 + 35.020Х3 + 69.783 89.05 92.36 94.11 94.31 92.95 92.56

Общее среднее всех расчетных значений Yср=92.32. Подбор коэффициентов уравнения осуществлялся по методу наименьших квадратов.

Оптимальные значения факторов : Х1опт=850; Х2опт=8; Х3опт=1.5 Значения частных функций с оптимальными значениями факторов:

Y1(X1опт)=95.23; Y2(X2опт)=92.60; Y3(Х3опт)=94.42 Значение обобщенной функции Y с оптимальными значениями факторов: Yп=97.10.

Обобщенное уравнение Протодьяконова имеет вид:

Yп = ((-0.00002Х12+0.0464995267Х1+73.224)*(- 0.82655Х22+ 12.3019965975Х2+54.376)*(-12.44560Х32+35.0202497716Х3+69.783)) / (92.602)

На основании проведенных исследований были выбраны оптимальные условия извлечения кедрового масла этиловым спиртом в ЭМП СВЧ: продолжительность 6 - 8 минут, мощность СВЧ-излучения 800-850 Вт, гидромодуль 1,25 -1,5.

Учитывая, что химический состав, физико-химические показатели, пищевая и биологическая ценность получаемых продуктов зависят от технологических схем, режимов и технических средств процесса их получения, изучали влияние ЭМП СВЧ на качество кедрового масла.

3.1.1 Исследование физико-химических характеристик

кедрового масла

Кедровое масло, полученное экстракцией этиловым спиртом в ЭМП СВЧ, исследовали по физико-химическим показателям. Полученные данные приведены в таблице 3.5

Таблица 3.5 - Физико-химические показатели кедрового масла

Наименование показателя Кедровое масло, полученное экстракцией этиловым спиртом в ЭМП СВЧ

1 2

Цвет Золотисто - желтый

Прозрачность Прозрачное, без осадка

Вкус и запах Приятный, со слабым привкусом кедрового ореха

Коэффициент рефракции 1,4775 ± 0,0005

Кислотное число, мг КОН 0,57 ± 0,02

Перекисное число, моль/кг 3,25 ± 0,25

Йодное число, г 12/100 г 158,87 ± 0,25

Число омыления, мгКОН 198 ± 1

Цветное число, мг 12 7,5 ± 0,5

Массовая доля нежировых 0,053 ± 0,003

примесей, %

Массовая доля влаги и летучих веществ, % 0,05 ± 0,05

Массовая доля фосфорсодержащих веществ, % 0,0013 ± 0,0003

в пересчете на Р2О5

Из анализа данных таблицы 3.5 видно, что значение коэффициента рефракции, который зависит от состава жирных кислот, указывает на большое содержание ненасыщенных кислот, что согласуется с высоким значением йодного числа. Невысокие значения цветного, кислотного и перекисного чисел свидетельствуют о хорошем качестве полученных образцов кедрового масла.

Число омыления показывает содержание функциональных групп, способных реагировать с щелочью, и зависит от количественных соотношений жирных кислот с различной длиной углеродной цепи в составе глицеридов жира, а также от содержания неэтерифицированных жирных кислот, моно- и диглицеридов и неомыляемых веществ. Массовая доля нежировых примесей мала.

Установлено, что метод СВЧ-обработки повышает качество кедрового масла. Об этом свидетельствуют низкие значения кислотного, перекисного чисел и массовой доли нежировых компонентов.

Растительные масла являются главными источниками таких незаменимых функциональных ингредиентов, как полиненасыщенные жирные кислоты: лино-левая, линоленовая, а некоторые - их ценных метаболитов - омега - три жирных кислот. Ненасыщенные жирные кислоты, особенно усиленно изучались учеными в течение последних лет. Установлено, что наиболее эффективными функциональными ингредиентами этой группы являются ненасыщенные жирные кислоты с расположением первой двойной связи, считая от СН3 - группы, между третьим и четвертым углеродными атомами - омега -три - жирные кислоты. К таким кислотам относятся линолевая, эйкозопентаиковая и декозогексаноиковая кислоты.

Ненасыщенные жирные кислоты участвуют в расщеплении низкоплотных липопротеинов, холестерина, участвуют в гидрогенизационных процессах, предотвращают агрегацию кровяных телец и образование тромбов, снижают воспалительные процессы и т. д. [243,293,295].

В связи с тем, что растительные масла являются источником жирных кислот, исследовали фракционный состав кедрового масла, полученного экстракцией этиловым спиртов в ЭМП СВЧ.

Исследование фракционного состава кедрового масла проводилось методом тонкослойной хроматографии с использованием денситометрии. Установлено, что 99% масла составляют триацилглицериды. Свободные жирные кислоты, эфиры стеринов, фосфолипиды находятся в незначительных количествах.

Методом газожидкостной хроматографии, с использованием стеклянной колонки, исследован состав жирных кислот. Результаты исследований приведены в табоице 3.6.

Таблица 3.6 - Состав жирных кислот кедрового масла, полученного экстракцией

этиловым спиртом в ЭМП СВЧ

Название кислоты обозначение СВЧ-экстракция

1 2 3

Пальмитиновая С16:0 4,789

Стеариновая С18:0 3,366

Олеиновая С18:1ю9 26,731

Линолевая С18:2ю6 42,280

Пиноленовая С18:3Д5,9,12 20,046

а-линоленовая С18:3ю3 0,544

эйкозановая С20:0 0,157

эйкозеновая С20:1ю9 0,891

Эйкозодиеновая С20:2ю6 0,477

скиадоновая С20:3Д5,11,14 0,719

Насыщенные 8,312

Ненасыщенные 91,688

Анализ данных таблицы 3.6 выявил широкий спектр кислот с длиной цепи от 16 до 20 углеродных атомов. Высокое содержание полиненасыщенных кислот, в том числе незаменимых жирных кислот, позволяет рекомендовать полученное кедровое масло к использованию в рационе питания человека для полноценной жизнедеятельности организма. Олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты относятся к группе витамина Б, который повышает сопротивляемость организма радиоактивному излучению, обеспечивает нормальный рост и обмен веществ в организме, сохраняет эластичность сосудов, способствует удалению холестерина из организма.

3.1.2 Исследование структуры липидов кедрового масла методами ИК, ЯМР- спектроскопии

Комбинированное применение ИК-, ЯМР- спектроскопии является одним из наиболее эффективных методов исследования структуры липидов. Оно дает обоснованное представление о молекулярной структуре, которое можно использовать для дальнейших исследований [ 113 , 114 ].

ИК-спектры снимались для образца без растворителя на спектрофотометре БРЕСОКО 1Я-75. ЯМР-спектры для 1%-ного раствора в СБС13 регистрировали на спектрометре БЯХ-500.

В ИК-спектрах кедрового масла наблюдаются полосы поглощения при 1377, 1463, 2855, 2930, 3008 см-1 указывающие на присутствие алкильных групп. Небольшая полоса поглощения при 1652 см-1 характерна для колебаний С=С связи, а полоса поглощения при 723 см-1 отвечает колебаниям групп (СН2)П. Наличие интенсивной полосы поглощения при 1747 см-1, а также полосы при 1164 см-1 указывает на присутствие сложноэфирных групп [ 176 ].

В спектре ЯМР 1 Н в области менее 2 м.д. наблюдаются сигналы протонов алкильных групп (СН3, СН2, СН), рядом с которыми нет электроотрицательных групп или кратных связей. В средней части спектра в области 2,0-2,3 м.д. присутствуют сигналы метиленовых протонов, связанных со сложноэфирными группами (СН2СОО-), а при 2,7-2,8 м.д. - протонов метиленовых групп, связанных с атомом углерода, имеющим ненасыщенную связь (—С=С—СН2—С= С—). При 4,14,3 м.д. наблюдаются сигналы протонов глицеридных атомов углерода, при 5,25,3 м.д. - сигналы протонов ненасыщенных связей (—НС = СН—) [ 143 ].

13

В спектре ЯМР С наблюдаются сигналы в области 14,2-34,2 м.д., соответствующие атомам углерода с насыщенными связями: -СН3 (14,2-14,4), разные -СН2- (22,9-34,2), сигналы атомов углерода с ненасыщенными связями (-СН=) при 128,1-130,4 м.д. Сигналам карбонильных углеродных атомов соответствует область 171,7-172,1 м.д., а глицеридных - 62,1-69,3 м.д. [ 114 , 364 ].

Исследование структуры липидов кедрового масла, полученного экстрак-циией этиловым спиртом в ЭМП СВЧ, методами ИК, ЯМР- спектроскопии свидетельствуют о том, что кедровое масло имеет высокий химический потенциал.

3.1.3 Исследование химического состава кедрового шрота после экстракции в ЭМП СВЧ

Известно, что кедровый орех является не только масличным сырьем, но и источником углеводов и минеральных веществ, которые переходят в шрот после выделения масла. Кедровый шрот является побочным продуктом переработки ядра кедровогоореха. Следует отметить, что качество кедрового шрота зависит от способа извлечения масла [ 312 , 322 ].

В дальнейших исследованиях изучали влияние экстракции кедрового масла этиловым спиртом в ЭМП СВЧ на химический состав кедрового шрота. Контролем служил шрот, полученный экстракцией диэтиловым эфиром. Полученные данные представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Химический состав кедрового шрота

Наименование показателя Массовая доля, в % на сухое вещество