Технологія желе плодово-ягідного на основі напівфабрикатів желюючих: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.16 - технологія харчової продукції

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню технології желе плодово-ягідного на основі напівфабрикатів желюючих для солодких страв (НЖСС). У дисертації наведено результати аналізу сучасних тенденцій у виробництві харчових продуктів із желейною структурою, окреслено пер-спективи використання нових видів гелеутворювачів, що стало підґрунтям розробки технології десертної продукції на основі пектину низькоетерифікованого амідованого (ПНЕА). Показано перспективність та актуальність використання ПНЕА в технології НЖСС та спрогнозовано доцільність їх використання в складі желе плодово-ягідного. Науково обґрунтовано доцільність використання порошку яєчної шка-ралупи (ПЯШ) як джерела вільних іонів Са2+ в технологічних системах на основі ПНЕА. Шляхом теоретичних та експериментальних досліджень визначено інноваційну стратегію розробки нового продукту, проведено аналітичні дослідження системи «ПНЕА – Са 2+» та науково обґрунтовано механізм структуроутворення гелів «ПНЕА – Са 2+» за умов використання ПЯШ як джерела іонів Са 2+. Технологія желе плодово-ягідного на основі НЖСС розробляється з урахуванням інновацій у галузі виробництва солодких страв із желеподібною структурою, реалізуючи методи іонотропного гелеутворення, обґрунтовані параметри протікання якого дозволять сформувати високі показники якості та харчової цінності нового продукту. Гелеутворення ПНЕА обумовлено появою так званих «гель-точок» (галактуронатів кальцію), які виникають за рахунок реалізації хімічного потенціалу вільних іонів кальцію, що потрапили до розчину гідроколоїду в коло карбоксильних груп чотирьох піранозних форм пектинової кислоти та розпочинають утворювати хімічні зв’язки між молекулами полімеру. Утво-рення зв’язку відбувається за рахунок рівнозначного перерозподілу енергії зв’язування між зарядженою частинкою бівалентного металу та чотирма кар-боксильними групами, скупченими навколо нього. У результаті утворення просторової будови між карбоксильними гру-пами чотирьох залишків галактуронової кислоти, що створюють різні ланцю-ги пектину, та іоном Са2+ відбувається зв’язок, який, прогнозовано, носить координаційний характер. Іон Са2+ виступає в ролі елемента, що зв’язує полімерні ланцюги пек-тину, та, у свою чергу, зменшує кількість водневих зв’язків і перетворює аморфний гель гідроколоїду на більш пружний та м’який. Для створення просторової сітки гелю в системі «ПНEA – Са2+» мож-ливе традиційне використання кальцієвмісних солей як неорганічного, так і органічного походження. Шкаралупу курячих яєць через достатню кількість кальцію можна рекомендувати для участі в створенні системи «ПНEA – Са2+». Зважаючи, що сіль СаСО3 нерозчинна, було прийнято рішення про пе-реведення кальцію в іонну форму шляхом розчинення в розчині з рН < 7. Бу-ло оглянуто такий перелік кислот як неорганічних (ортофосфорна, соляна, сірчана, азотна), так і органічних (яблучна, винна, бурштинова, оцтова, ли-монна, аскорбінова). На підставі проведеного моніторингу органічних кислот було встановлено, що для використання в системі «ПНЕА – Са 2+» прийнят-ною та економічно вигідною є лимонна кислота. Ураховуючи, що СаСО3 ПЯШ має невисоку розчинність у воді – 0,0015 г/100 мл, прийнято рішення використовувати розчин лимонної кисло-ти для максимального переходу іонів Са2+ у активну форму. Досліджено кінетику вилучення іонів Са2+ в 0,18%-му розчині лимонної кислоти залежно від ступеня подрібнення ПЯШ Установлено, що СаСО3 розчиняється у 0,18%-му розчині лимонної ки-слоти за кімнатної температури та переходить у форму кальцій цитрату. Після потрапляння ПНЕА до системи розчиненого в кислому середовищі ПЯШ відбувається реакція утворення галактуронату кальцію. Іони Са2+ переходять із нерозчинної солі СаСО3 до малорозчинної – кальцій цитрату. Визначено залежність часу розчинення ПЯШ у розчині лимонної ки-слоти від ступеня подрібнення та швидкості комплексоутворення з ПНЕА. Раціональний час розчинення ПЯШ знаходиться в межах 180…200 с, що має також середні показники швидкості реакції комплексоутворення в межах 2,0…2,3 моль/л×с. За стехіометрією, для повного протікання процесів вивільнення іонів Са 2+ з ПЯШ та їх зв’язування з залишками галактуронової кислоти в матриці пектину необхідно взяти співвідношення ПНЕА:ПЯШ:лимонна кислота як 1:0,06:0,07 відповідно. Аналітично та експериментально доведено доцільність внесення ПЯШ у кількості 0,1% до складу НЖСС. Саме за цих співвідношень та умов протікання вищенаведених реакцій можна одержати гель із високими показниками якості. Із метою визначення раціональної концентрації ПЯШ для встановлення оптимуму співвідношень ПНЕА:ПЯШ:лимонна кислота проведено дослідження структурно-механічних показників матричних гелів у діапазоні концентрації ПЯШ 0,05…0,2%. Концентрації ПЯШ, за яких утворюються прозорі, м’які та еластичні гелі, що не піддаються синерезису тривалий час, знаходяться у діапазоні 0,05…0,1%. Теоретично розраховано кількість залишків галактуронової кислоти, що міститься в концентраціях гелеутворювача 1,0 та 1,1% та дозволить у повному обсязі зв’язати кількість іонів бівалентного металу в кількості 0,1%, вивільнених зі складу ПЯШ. Структурно-механічні властивості гелів за обох концентрацій кардинальних розбіжностей не мають, вологоутримувальна здатність упродовж установленого терміну зберігання є незмінною. Органо-лептична оцінка обох зразків однакова і має найвищі показники з-поміж зразків, виготовлених за інших концентрацій ПНЕА. Визначено кінетику утворення гелів на основі системи «ПНЕА – Са2+» залежно від рН. Найбільш інтенсивне наростання міцності гелів відбувається протягом перших (40…60)×60 с. У зразках із рН 2,8 наростання міцності відбувається швидше та коливається в діапазоні (80…100)×60 с, тоді як у зразках із рН 3,4 спостерігається повільніше наростання міцності гелів, яке знаходиться в діапазоні (60…80)×60 с, бо процес вилучення іонів Са2+ відбувається повільніше. Установлено, що раціональний вміст лимонної кислоти знаходиться у діапазоні 0,09…0,13%. Установлено закономірності у формуванні структурно-механічних вла-стивостей гелів на основі системи з НЖСС у межах стехіометричних співвідношень «ПНEA – Ca 2+» від концентрації сахарози, яка зменшує ступінь гідратації молекул полісахариду за рахунок сорбції диполів води че-рез водневі зв’язки з утворенням нестійкої міжфазної поверхні. Раціональний вміст сахарози знаходиться у діапазоні 10…16%. Розроблено технологічну схему виробництва НЖСС, що реалізується за наступними варіантами: НЖСС-1 (з кислотою) та НЖСС-2 (без кислоти). Визначено основні органолептичні, фізико-хімічні та мікробіологічні показники НЖСС. Установлено вплив рецептурних компонентів на процес гелеутворення та показники якості желе плодово-ягідного на основі НЖСС; визначено ре-цептурний склад нової продукції; розроблено технологічні схеми виробниц-тва желе; науково обґрунтовано терміни зберігання готової продукції. Згідно з ТУ У 10.8-04718013-012:2015 НЖСС має термін зберігання не більше ніж 12 місяців (за t ≤ 20C, Wпов. = 70±5%), виробництво желе плодо-во-ягідного зводиться до обґрунтування параметрів внесення напівфабрикату до традиційних харчових систем та встановлення їх рецептурного складу. Розроблено технологію желе плодово-ягідного: «ПіК» (вишневий, апель-синовий та лимонний) на основі сухих концентратів соків – вишневого, апельсинного, лимонного; «ПіК Преміум» (вишневий, апельсиновий, лимон-ний) на основі рідких концентратів соків – вишневого, апельсинного, лимон-ного; «ПіК Преміум Фреш» (вишневий, апельсиновий, лимонний) на основі натуральної плодово-ягідної сировини – вишні, апельсину, лимону. Установлено, що розроблені желе плодово-ягідні на основі НЖСС-1 із використанням сухих концентрованих соків «ПіК» (апельсиновий, вишневий та лимонний), НЖСС-2 та рідких концентрованих соків «ПіК Преміум» (апельсиновий, вишневий та лимонний) і плодово-ягідної сировини «ПіК Преміум Фреш» (апельсиновий, вишневий та лимонний) мають високі органолептичні показники, що доводить їх споживну цінність, прогнозує ви-сокий рівень попиту на цей вид продукції та визначає як конкурентоспро-можну на ринку аналогічних продуктів. Із метою дослідження харчової цінності визначалися хімічний та мінерально-вітамінний склад готової продукції. Також були встановлені зміни під час зберігання готових желе плодово-ягідних. Встановлено терміни придатності желе плодово-ягідного (за t = 4…6°С – до 12 год). Досліджено показники безпечності зразків нових желе плодово-ягідного на основі НЖСС, фактичні значення яких знаходяться в межах до-пустимих норм. Розроблено рекомендації до їх використання. Прослідковано подовження термінів зберігання готової продукції на основі НЖСС. На підставі проведеного аналізу як консервант для розробле-них желе плодово-ягідних на основі НЖСС обрано бензоат натрію, рекомен-дована кількість до внесення якого складає 0,05%. Термін придатності желе плодово-ягідного за умови використання консерванту та герметичної упаков-ки (за t = 4…6°С) – до 90 діб. Підтверджено соціальний ефект від упровадження технології НЖСС та желе плодово-ягідного на їх основі, який полягає в розширенні асортименту желейних страв із підвищеною харчовою цінністю та зниженим вмістом цук-ру, що виготовляються в закладах ресторанного господарства та на підприємствах харчової промисловості. Доведено економічну доцільність упровадження розроблених пропозицій на підприємствах харчової промисловості в закладах ресторанно-го господарства, а також привабливість наукових розробок як об’єкта інвестиційних вкладень. Визначено, що впровадження технології НЖСС у закладах ресторанно-го господарства та на підприємствах харчової промисловості дозволить одержати господарюючому суб’єкту прибуток у розмірі 6,0…6,3 тис. грн на кожну тонну реалізованої продукції. Розраховано собівартість 100 порцій желе плодово-ягідного на основі НЖСС, що становить 325…350 грн, залеж-но від асортименту. Доведено, що цей напівфабрикат і продукти на його основі є доступ-ними для широких верств населення з різним рівнем доходу, можуть бути використані в закладах ресторанного господарства та на підприємствах харчової промисловості як доповнення до харчових раціонів. Виконано комплекс робіт із упровадження результатів дослідження. Розроблено та затверджено ТУ У 10.8-04718013-012:2015 «Напівфабрикати желюючі для солодких страв» та ТІ до ТУ У 10.8-04718013-012:2015. Нові технології впроваджено у діяльність ПП «Синтез» та ТОВ «Гудвіл Інвест», результати дослідження – в освітній процес СНАУ.

This thesis is devoted to the scientific justification of fruit-berry jelly tech-nology based on the semi-finished jelly products for sweet dishes (SJPSD). The thesis presents the results of current trends analysis in food products of jelly structure and also determines the prospects for the use of new gelling agents. It has become the basis for the development of technology of dessert products based on low-esterified amidated pectin (PLEA). The prospects and relevance of PLEA used in the technology of SJPSD were shown and the expediency of their use in the fruit-berry jelly composition was predicted. The feasibility of using egg shell powder (ESP) as a source of free ions of Ca2 + in technological systems based on PLEA was scientifically proved. An innovative strategy for the development of a new product through the theoretical and experimental research has been identified. The analytical research of the system of «PLEA – Са 2+» was conducted and the mechanism of gel «PLEA – Са 2+» structure formation, where ESP was used as a sourse of Са 2+ ions, was scientifically proved. The technology of fruit-berry jelly based on SJPSD is developed taking into account the innovation in the field of production of sweet dishes with gelatinous structure by implementing methods of ionotropic gel formation, where the parame-ters of this process will allow to form high indicators of quality and nutritional val-ue of the new product. Gel formation of PLEA takes place due to the presence of «gel-points» (cal-cium galacturonate). They can be found as a result of the extraction of the chemical potential of free calcium ions that interact with the solution of hydrocolloid being a part of the carboxyl groups of four pyranose forms of pectinic acid and begin to form the chemical bonds between polymer molecules. The formation of the bonds takes place due to the equitable redistribution of the binding energy between the charged particle of the bivalent metal and the four carboxyl groups located around it. As a result of the formation of the spatial structure between the carboxyl groups of the four residues of galacturonic acid, which create different chains of pectin, and the Ca2 + ion we can trace a bond which has a predictable coordinating nature. Ion Ca2 + acts as the element that binds the polymeric chains of pectin, reduces the amount of the hydrogen bonds and converts the amorphous gel of the hydrocolloid into more elastic and soft. To create spatial gel nets in the system of «PLEA – Ca2+», calcium-containing salts, both inorganic and organic, can be used. A chicken egg shell, due to the sufficient amount of calcium, can be recommended for participation in the creation of the «PLEA – Ca2+» system. Taking into consideration that the salt of CaCO3 is insoluble, it was necessary to convert calcium into an ionic form by dissolving it in a solution with pH <7. We have investigated such acids as both inorganic (orthophosphoric, hydrochloric, sulfuric, nitric) and organic (malic, tartaric, succinic, acetic, citric, ascorbic). On the basis of the monitoring of the or-ganic acids it was concluded that citric acid is acceptable and economically advantageous to be used in the «PLEA – Ca 2+» system. Considering that CaCO3 ESP has low water solubility – 0,0015 g/100 ml, it was decided to use a solution of citric acid for the maximum transition of Ca2 + ions into the active form. The kinetics of Ca 2+ ions extraction in a 0.18% solution of citric acid, de-pending on the grinding degree of ESP, was studied. It was established that CaCO3 is dissolved in a 0.18% solution of citric acid at room temperature and becomes calcium citrate. After the infiltration of PLEA into the system of ESP, dissolved in the acid media, the formation of calcine galacturonate takes place. Ions of Ca2 + extend from the insoluble salts of CaCO3 into the low-soluble calcium citrate. The dependence of the time of ESP dissolution in the solution of citric acid on the grinding degree and the speed of complextion with PLEA was determined. The rational dissolution time of ESP is within the period of 180 ... 200 s, which also has average characteristics of the rate of reaction of complex formation in the range of 2.0...2.3 moles/liter×s. According to stoichiometry, for the process of Ca 2+ ions extraction from ESP and their binding to the residues of galacturonic acid in the pectin matrix to be complete, it is necessary to imply the ratio of PLEA: ESP: citric acid as 1:0.06:0.07 respectively. The necessity of introducing ESP in the amount of 0.1% to the SJPSD was analysed and proved experimentally. A high-quality gel with ra-tios and conditions of the above-mentioned reactions can be obtained. In order to determine the rational concentration of ESP and in a move to establish the opti-mum relations of PLEA:ESP:citric acid the study of structural and mechanical pa-rameters of matrix gels in the range of ESP concentration 0,05…0,2% was con-ducted. The number of «gel points», as well as the locations of the chemical bonding between calcium ions and carboxyl groups situated nearby, increases and the gel frame becomes stronger. The ESP concentrations, used to create the transparent, soft and elastic gels that are not exposed to syneresis for a long time, are in the range of 0.05…0.1%. The amount of galacturonic acid residues, contained in the concentrations of the gelling agent 1.0 and 1.1%, is theoretically calculated. It allows to associate the amount of ions of bivalent metal in the amount of 0.1% released from ESP fully. The structural mechanical properties of gels at both concentrations do not have the drastic differences, the moisture retaining ability during the established shelf life is unchanged. The organoleptic evaluation of both samples is the same and has the highest values among the samples produced at other concentrations of PLEA. The kinetics of gel formation on the basis of the «PLEA–Ca 2+» system de-pending on the pH has been determined. The dense gels strength increase takes place during the first (40…60) ×60 s. In the samples with pH 2.8, the strength increase is faster and varies in the range of (80…100) ×60 s. While samples with pH of 3.4 show a slower growth of gel strength, which is in the range of (60...80)×60 s, because the process of extracting of Ca2+ ions is slower. It was found out that the rational content of citric acid is in the range of 0.09 ... 0.13%. The regularities in the formation of structural and mechanical properties of gels on the basis of the system with SJPSD in the stoichiometric ratios of «PLEA–Ca2+» from the concentration of sucrose were established. It reduces the degree of hydration of the polysaccharide molecules by absorbing water dipoles through the hydrogen bonds to form an unstable interphase surface. The rational content of su-crose is in the range of 10…16%. A technological scheme of SJPSD production has been developed. It can be fulfilled using the following options: SJPSD-1 (with acid) and SJPSD-2 (without acid). The basic organoleptic, physico-chemical and microbiological parameters of SJPSD are determined. The influence of the prescription elements on the gelation process and the quality indicators of fruit-berry jelly on the basis of SJPSD was established. The prescription elements of new products were determined. The technological schemes of jelly production have been developed. The terms of finished products storage were substantiated scientifically. According to TU U 10.8-04718013-012:2015 SJPSD has the shelf life with-in 12 months (by t ≤ 20C, Wair = 70±5%). The produce fruit and berries jelly it is essential to substantiate the application of the semifinished products parameters in the framework of the traditional food systems and establish their prescription ele-ments. The technology of fruit-berry jelly, such as «PіC» (cherry, orange and lemon) based on dry juice concentrates – cherry, orange, lemon; «PiC Premium» (cherry, orange and lemon) based on liquid juice concentrates – cherry, orange and lemon; «PіC Premium Fresh» (cherry, orange and lemon) based on natural fruit and berry raw materials – cherry, orange and lemon, was developed. It was proved that the fruit-berry jelly based on SJPSD-1 with the use of dry juice concentrates such as «PіC» (orange, cherry and lemon), SJPSD-2 and liquid juice concentrates such as «PiC Premium» (orange, cherry and lemon) and natural fruit and berry raw materials such as «PіC Premium Fresh » (orange, cherry and lemon) has high quality organoleptic parameters, which proves their consumer val-ue, predicts a high level of demand for this type of product and determines the competitiveness of the similar products in the market. To establish the nutritional value of the finished product, the chemical and mineral vitamin composition was determined. The changes which occur during the storage of the finished fruit-berry jelly were also defined. The shelf-life of fruit-berry jelly (at a t = 4…6°С – up to 12 hours) was de-termined. The safety indexes of the new fruit-berry jelly, based on SJPSD and contain-ing the actual values within the limits of the acceptable terms, were investigated. The recommendations for their use was developed. The extension of the shelf life of the finished products based on SJPSD has been observed. According to the analysis conducted, the sodium benzoate, aimed to be used as a preservative for the fruit-berry jelly based on SJPSD, was selected. Its recommended amount amounts up to 0.05%. The shelf life of fruit-berry jelly can be prolonged up to 90 days with the use of the preservatives and sealed pack-aging (at a t = 4…6°С). The social effect of the introduction of SJPSD technology and fruit-berry jel-ly based on it is proved. It consists of expanding of the range of jelly foods with high nutritional value and reduced sugar content, which are produced in restaurants and at food industry enterprises. The economic feasibility of introducing the developed proposals at the en-terprises of the food industry and in the restaurant industry has been proved. The attractiveness of the scientific developments as objects of the investments has also been proved. It was determined that the implementation of the technology of SJPSD in the restaurant industry and at food industry enterprises will allow the economic entity to receive a profit in the amount of 6.0 ... 6.3 thousand UAH for each ton of prod-ucts sold. The cost of 100 servings of fruit and berry jelly on the basis of SJPSD was calculated, which makes 325 ... 350 UAH, depending on the assortment. It is proved that products based this semi-finished product and this product itself are available for people with different income levels and can be used in res-taurants and at food industry enterprises as additions to food rations. A range of works, aimed to implement the results of the research, was con-ducted. The TU U 10.8-04718013-012:2015 «Semi-finished jelly products for sweet dishes» and ТІ to ТU U 10.8-04718013-012:2015 were developed and ap-proved. The new technologies are implemented in the activity of PE «Syntez» and LLC « Gudvil Invest», and the results of the study are introduced in the educa-tional process of SNAU.