Наукове обгрунтування та розроблення комплексної технології фруктанів і дієтичних добавок на основі рослинної сировини: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертація присвячена розробленню технології фруктанів та дієтичних добавок на їх основі із рослинної сировини. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку науково практичних положень і створенні методології отримання фруктанів на основі вибору раціональних параметрів технологічного циклу фракціонування складових фруктанвмісних рослин залежно від їх біохімічних і фізико-хімічних властивостей. Вперше : - Виявлено залежність фізико-хімічних властивостей фруктанів від виду сировини та способу фракціонування її складових, що забезпечує отримання продукту прогнозованої якості в системі сировина – інулін. - Теоретично обгрунтовані та розроблені наукові положення інноваційної біотехнології високомолекулярних фруктанів із різної інулінвмісної сировини з отриманням інуліну зі ступенем полімеризації 30 і більше одиниць. - Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено параметри агротехнології культивування традиційних і дикоростучих інулінвмісних рослин в лісостеповій зоні України, що забезпечує їх найбільш ефективний біологічний потенціал в умовах багаторічного вирощування. - Клінічними дослідженнями доведено доцільність використання отриманих високомолекулярних фруктанів та дієтичних добавок на їх основі як таких, що мають лікувально профілактичну дію при цукровому діабеті, при порушеному ліпідному обміні та патологіях ендокринної системи. Отримали подальший розвиток дані щодо: 3 - Технологічних закономірностей формування хімічного складу, фізикохімічних властивостей фруктанів від способу їх вилучення, що забезпечує автентичність їх просторової структури; - Обгрунтування рецептур та створення технології дієтичних добавок лікувально профілактичного призначення на основі високомолекулярних фруктанів; - Розроблення концепції комплексного перероблення інулінвмісної сировини та утилізації відходів. Для досліджень застосовані органолептичні, технологічні, фізико-хімічні, структурно-механічні, мікробіологічні, медико-біологічні методи та методи комп’ютерного оброблення експериментальних даних із використанням комп’ютерних технологій. Проведені дослідження основних стадій виділення фруктанів із інулінвмісної сировини та фізико-хімічних властивостей інулінів із різною молекулярною масою, наведено результати фізико-хімічних, хімічних, хроматографічних, термогравіметричних, ґрунтово кліматичних досліджень, та досліджень інулінвмісної рослин, які є науковим обґрунтуванням розроблення технологій фруктанів із рослинної сировини. Дослідження зміни кількісного та якісного складу інулінвмісної сировини протягом зберігання показали, що максимальний термін зберігання рослинної сировини до початку переробки не повинен перевищувати 7-15 діб. Досліджено процеси подрібнення сировини та одержання клітинного соку. Показано, що при пресовому способі одержання соку, потрібно витримувати температуру сировини та одержуваного соку не нижче 20°С, корені та бульби інулінвмісної сировини перед пресуванням молоти до часток ≤ 2мм і процес вести з короткочасним (до 1хв.) витримуванням. Проводились дослідження процесів очистки соків та екстрактів. Встановлено, що очистка розчинів інуліну при сильно лужних та кислих значеннях рН призводить до зниження вмісту високомолекулярних фракцій інуліну (в середньому на 20-30%), та зниженню ССП на 8-10од. В результаті досліджень умов осадження фруктанів встановлено, що оптимальною температурою осадження високомолекулярного інуліну (ВМІ) із розчинів є температура 0+5С, уникаючи заморожування. В роботі показана можливість фракціонування інуліну етиловим спиртом. Досліджено розчинність інулінів в залежності від їх молекулярної маси. Встановлено, що різні інуліни із середнім ступенем полімеризації від СП15 до СП35 мають різні фізико хімічні властивості, тому запропоновано розбити їх на групи і дати назви: ССП15 - інулід; ССП25 – інулін; ССП35 – інулан. Дослідження желюючих властивостей фруктанів із різною ММ показали, що для утворення гелів на основі низькомолекулярних інулінів краще підходить «холодний» метод, тоді як для утворення гелів на основі високомолекулярних інулінів потрібно використовувати «гарячий» метод. Показано, що обробку ультразвуком можна рекомендувати для розділення суспензій фруктанового виробництва в процесі осадження ВМФ перед відфільтровуванням. Проведені дослідження здатності фруктанів з різною молекулярною масою до набухання. В результаті комп'ютерного моделювання молекули інуліну визначили, що інулін з спіральною конфігурацією формується в особливих умовах гідратації. Тому можна висловити думку, що різні форми фруктанів, відомі під назвами -, -, та -інулін відрізняються за своїми фізико-хімічними та біологічними властивостями в силу різної просторової будови. Ця просторова будова зумовлена умовами гідратації осаджуваних фруктанів. Очевидно, різні конформації фруктанового ланцюга залежать від співвідношення міжмолекулярних та внутрішньомолекулярних водневих звязків, які має молекула фруктану в певних умовах утворення фаз. Методом математичного моделювання встановлено, що оптимальними параметрами виходу ВМ інуліну при максимальному значенні узагальненого критерію F(х)=0,253 будуть: концентрація етанолу 16,75% і час осадження 0,5 год. При цьому інтегральний вихід ВМ інуліну складе 1,083. Досліджено процеси висушування високомолекулярних фруктанів. Показано, що висушування ВМ інуліну, з метою одержання продукту з максимальною біологічною дією, слід проводити при температурах, не вищих +50С. Для висушування ВМ інуліну технічного призначення, можливе застосування температур в межах 50-100С. В роботі розроблені технології комплексної переробки інулінвмісної рослинної сировини, проведено аналіз можливих втрат ММ фруктанів на стадіях виробництва, розроблено іноваційні технології фруктанів, проведено пошук фруктанвмісної сировини із вмістом інуліну із СП35од. та розроблені технології кавового напою, фруктозного сиропу і експресного меду з використанням відходів фруктанового виробництва. На основі проведених досліджень, та вивчених фізико-хімічних властивостей інулінів із СП35од., була розроблена комбінована технологічна схема одержання високомолекулярного інуліну із інулінвмісної сировини. При переробці інулінвмісної сировини, СП інуліну в якій не перевищує 25од, технологічна схема спрощується. Відсутність в сировині інуліну із СП=35 і більше, дозволяє не застосовувати екстракцію жмиха та виключає всі операції, повязані з нею. Втрати високомолекулярного інуліну у жмиху при цьому не перевищують 5-7% від його початкового вмісту у сировині. Як показали медикобіологічні дослідження високомолекулярного інуліну, його активність залежить не тільки від молекулярної маси, а й від того, наскільки була збережена його нативна будова при виробництві. Також велику роль в збереженні біологічної активності готового продукту відіграє вміст мінеральних та білкових речовин які притаманні рослинній сировині з якої він був одержаний. Тому в роботі розроблена технологічна схема одержання нативного високомолекулярного інуліну. Для утилізації відходів фруктанового виробництва розроблено технології виробництва розчинних кавових напоїв на основі жмиха, фруктозного сиропу на основі фільтрату і промивних вод та експресного меду. В роботі проведені дослідження біологічних властивостей фруктанів, як інгредієнтів дієтичних добавок. Визначено, що фруктани є розчинним дієтичним волокном, мають адсорбуючий ефект та впливають на обмін ліпідів. В результаті дослідження біоактивності фруктанів, були проведені моделювання та виготовлення дієтичних добавок на основі високомолекулярних фруктанів за допомогою розробленої технологічної схеми. Розроблена технологія одержання дієтичних добавок дозволяє одержувати добавки з високим (від 65 до 85%) процентним вмістом високомолекулярних фруктанів в них і можуть застосовуватись в лікувально - профілактичному харчуванні населення. При проектуванні та виготовленні дієтичних добавок «високомолекулярні фруктани +лікарська рослинна сировина», визначали склад та біологічну дію лікарської сировини, що дало в подальших дослідженнях можливість спрогнозувати лікувально – профілактичні властивості розробленої продукції і дати рекомендації по її застосуванню. Розроблені рецептури дієтичних добавок затверджені в установленому порядку. Приведені результати медико-біологічних досліджень стосовно можливості використання інуліну згідно ТУУ 19116716.002-98 в лікувальнопрофілактичному і дієтичному харчуванні, які проводились в клініці Інституту екогігієни і токсикології ім.Л.І.Медведя, Республіканській клінічній лікарні, Інституті ендокринології та обміну речовин АМНУ, Київській медичній академії післядипломної освіти МОЗ України та Київському НДІ ендокринології і обміну речовин АМН України. Отримані результати доводять, що інулін має помірно виражений гіпоглікемізуючий ефект і може застосовуватись для хворих на цукровий діабет як цукрознижуючий засіб, сприяє зниженню в крові хворих на діабет ІІ типу рівня холестерину і тригліцеридів, що дозволяє його рекомендувати в якості профілактичного засобу для попередження судинних уражень при інсуліннезалежному діабеті. Встановлено, що після тримісячного прийому ВМ інуліну паталогічні зміни в основних органах живого організму були відсутні. Таким чином можна стверджувати, що ВМІ є нетоксичним продуктом харчування. Проведена оцінка маркетингового потенціалу високомолекулярного інуліну для трьох захворювань, пов’язаних з порушенням обміну речовин (цукрового діабету, ожиріння та ішемічної хвороби серця, при яких дія високомолекулярного інуліну найбільш точно встановлена), показала, що річна потреба високомолекулярного інуліну в Україні становить близько 5000 тон на рік. Промислові випробування технології по виробництву високомолекулярного інуліну проведені на базі плодоконсервного заводу, с.Сунки, Смілянського р-ну, Черкаської обл. та 2-му ім. Петровського цукрозаводі, смт. Олександрівка, Кіровоградської обл., де була змонтована лінія виробничою потужністю 10 т рослинної сировини на годину. Випробування показали, що змонтовані лінії дозволяють переробляти будь-яку інулінвмістну сировину (бульби топінамбура, корені цикорію, кульбаби, лопуха і т.п.) із середнім виходом високомолекулярного інуліну 80% від його початкового вмісту в сировині. За якісними показниками одержуваний інулін відповідає вимогам ТУУ 19116716.001.97. Розроблені технології одержання високомолекулярного фруктанів та ДД на їх основі, впроваджені та використовуються МП ТОВ «Інулін, лтд» і ТОВ «НВП Інулан, лтд».

The dissertation is devoted to the development of fructans technology and dietary supplements on their basis from plant raw materials.The scientific originality of the obtained results consists in the development of scientific and practical positions and the establishment of a methodology for obtaining fructans based on the choice of rational parameters of the technological cycle fractionation of the components of fructancontaining plants depending on their biochemical and physicochemical properties. For the first time: - The dependence of physicochemical properties of fructans from the type of raw material and the method of fractionating its constituents has been revealed which ensures obtaining a product of predicted quality in the system raw material - inulin. - The theoretical substantiation and development of scientific provisions of innovative biotechnology of high molecular weight fructans from different inulincontaining raw materials with inulin production with a degree of polymerization of 30 and more units. - The parameters of agrotechnology of traditional and wild-growing inulincontaining plants cultivation in the forest-steppe zone of Ukraine, which provides their most effective biological potential in the conditions of long-term cultivation are theoretically substantiated and experimentally confirmed. - Clinical studies have proved the feasibility of using the obtained macromolecular fructans and dietary supplements on their basis as having a therapeutic prophylactic effect in diabetes mellitus, with impaired lipid metabolism and pathologies of the endocrine system. Further data on: - Technological regularities of formation of chemical composition, physical and chemical properties of fructans from the method of their extraction, which ensures the authenticity of their spatial structure; - Substantiation of formulations and creation of the technology of dietary supplements of medical prophylactic appointment on the basis of macromolecular fructans; - Development of the concept of integrated recycling of inulin-containing raw materials and waste utilization. For research applied organoleptic, technological, physico-chemical, structuralmechanical, microbiological, medical and biological methods and methods of computer processing of experimental data using computer technologies.The investigation of the main stages of the fructans isolation from inulincontaining raw materials and physicochemical properties of inulin with different molecular weights has been carried out, the results of physico-chemical, chemical, chromatographic, thermogravimetric, soil-climatic studies and inulin-containing plants test have been made, which are the scientific basis for the development of technologies of fructans from plant raw materials. Studies on the change in the quantitative and qualitative composition of inulincontaining raw materials during storage showed that the maximum shelf life of plant material before processing should not exceed 7-15 days. The processes of grinding raw materials and obtaining juice are investigated. It is shown that in the press process of juice production, it is necessary to withstand the temperature of the raw material and the resulting juice not lower than 20 ° С, roots and tubers of inulin-containing raw materials before pressing the hammer to particles ≤ 2 mm and the process of conducting with short-term (up to 1 minute) weathering . Research was carried out on the processes of juice and extracts purification. It was established that purification of inulin solutions at strongly alkaline and acidic pH values leads to a decrease in the content of high molecular weight inulin fractions (on average 20-30%), and a decrease in ADP by 8-10 hours. As a result of investigations of the deposition of fructans conditions, it is found that the optimum temperature of precipitation of HMI from solutions is the temperature 0 + 5С, avoiding freezing. The paper shows the possibility of fractionation of inulin with ethyl alcohol. The solubility of inulin is investigated depending on their molecular weight. It has been established that various inulin with medium degree of polymerization from SP15 to SP35 have different physicochemical properties, therefore it is proposed to break them into groups and give names: ADP 15- inulid; ADP 25 - inulin; ADP 35 - inulan. The study of gelling properties of fructans with different ADP has shown that for the formation of gels on the basis of low molecular weight inulin, the "cold" method is better suited, whereas for the formation of gels based on high molecular inulin it is necessary to use the "hot" method. It is shown that ultrasound treatment can be recommended for separating suspensions of fructan production during the deposition of the HMI before filtration. Studies of the ability of fructans with different molecular weight to swell have been carried out. As a result of computer simulation of the inulin molecule, it was assumed that inulin with a spiral configuration is formed under special conditions of hydration. Therefore, we can express the view that various forms of fructans, known as -, -, and -inulin, differ in their physico-chemical and biological properties by virtue of their various spatial structure. This spatial structure is conditioned by the conditions of hydration of deposited fructans. Obviously, different conformations of the fructan chain depend on the ratio of intermolecular and intramolecular hydrogen bonds that have a fructan molecule under certain conditions of phase formation. The method of mathematical modeling has established that the optimal parameters of the output of HM of inulin with a maximum value of the generalized criterion F (x) = 0,253 will be: the concentration of ethanol 16,75% and the time of deposition 0,5 hours. In this case, the integral output of the HM of inulin will be 1,083. The processes of drying of high molecular weight fructans are investigated. It is shown that the drying of HM inulin with a view to obtaining a product with a maximum biological effect should be carried out at temperatures not higher than + 50С. For drying of HM inulin for technical purpose, application of temperatures in the limits of 50-100С is possible. In the work the technologies of complex processing of inulin-containing vegetable raw materials have been developed, the analysis of possible losses of HM of fructans at the stages of production has been carried out, innovative technologies of fructans have been developed, and fructan-containing raw materials with an inulin content up to 35 DP have been searched. Also were developed technologies of coffee beverage, fructose syrup and express honey using fructan waste. On the basis of the conducted researches and the studied physical and chemical properties of inulin with DP up to 35, a combined technological scheme for obtaining high molecular weight inulin from inulin feed raw material was developed. In the processing of inulin-containing raw materials the inulin compound in which does not exceed 25 unit the technological scheme is simplified. The absence of inulin inulin with DP = 35 or more allows us to not use extraction of the pulp and exclude all operations associated with it. Loss of high molecular weight inulin in a pulp does not exceed 5-7% of its initial content in the raw material. As medical-biological studies of high inulin have shown, its activity depends not only on the molecular mass, but also on how much its native structure was preserved in production. Also, the content of mineral and protein substances that are inherent in the plant material from which it was obtained plays an important role in preserving the biological activity of the finished product. Therefore, the technological scheme of obtaining native high molecular weight inulin has been developed. For utilization of fructan waste products, technologies for the production of soluble coffee beverages on the basis of pulp, fructose syrup based on filtrate and washing water and express honey are developed. On the basis of the conducted researches and the studied physical and chemical properties of inulin with SP > 35 a combined technological scheme for obtaining high molecular weight inulin from inulincontaining raw material was developed. In the processing of inulincontaining raw materials, the inulin compound in which does not exceed 25 unit the technological scheme is simplified. The absence of inulin inulin with DP = 35 or more allows to not use extraction of the pulp and exclude all operations associated with it. Loss of high molecular weight inulin in a pulp does not exceed 5-7% of its initial content in the raw material. As medical-biological studies of HP inulin have shown its activity depends not only on the molecular mass, but also on how much its native structure was remain in production. Also, the content of mineral and protein substances that are inherent in the plant material from which it was obtained plays an important role in preserving the biological activity of the finished product. Therefore, the technological scheme of obtaining native HP inulin has been developed. For utilization of fructan’s waste products, technologies for the production of soluble coffee beverages on the basis of pulp, fructose syrup based on filtrate and washing water and express honey are developed. In this work, the study of biological properties of fructans, as ingredients of dietary supplements was done. It has been determined that fructans are a soluble dietary fiber, have an adsorbing effect and have an effect on lipid metabolism. As a result of the study of the bioactivity of fructans, simulations and manufacturing of dietary supplements based on macromolecular fructans were carried out using the developed technological scheme. The developed technology of obtaining dietary supplements allows to receive additives with high (from 65 to 85%) percentage of high molecular weight fructans in them and can be used in the medical prophylactic diet of the population. In the design and manufacture of dietary supplements "high molecular weight fructans + medicinal plant raw materials", the composition and biological effects of medicinal raw materials were determined, which gave further research the opportunity to predict the therapeutic and prophylactic properties of the developed products and give recommendations for its application. The developed dietary supplements formulas are approved in accordance with the established procedure. The results of medical and biological research concerning the possibility of using inulin according to TUU 19116716.002-98 in the treatment and prophylactic and dietary nutrition conducted at the clinic of the Institute of Ecohygiene and Toxicology by Medved, the Republican Clinical Hospital, the Institute of Endocrinology and Metabolism of the AMSU, Kyiv Medical Academy of Postgraduate Education of the Ministry of Health of Ukraine and the Kyiv Research Institute of Endocrinology and Metabolism of the Academy of Medical Sciences of Ukraine. The results obtained show that inulin has a moderately expressed hypoglycemic effect and can be used in patients with diabetes mellitus as a sugar suppressant, it helps to lower the level of cholesterol and triglycerides of type II diabetes which allows it to be recommended as a preventive agent for the prevention of vascular lesions with insulin-dependent diabetes. It was established that after three months of inulin using, pathological changes in the main organs of the living organism were absent. Thus, it can be argued that HP inulin is a non-toxic food product. An assessment of the marketing potential of HP inulin for three diseases associated with metabolic disorders (diabetes mellitus, obesity and coronary heart disease in which the action of high molecular weight inulin is most accurately established) has shown that the annual need for high molecular weight inulin in Ukraine is about 5000 tons for a year. Industrial testing of technology for the production of HP inulin on the basis of the fruit-canning plant in Sunky village (Smiliansky district, Cherkasy region) and the 2nd im. Petrovsky sugar factory ( smt. Oleksandrivka, Kirovograd region) where the line was equipped with a production capacity of 10 tons of plant material per hour was done. Tests have shown that the assembled lines allow the processing of any inulin-containing material (topinambour, roots of chicory, dandelion, burdock, etc.) with an average yield of high molecular weight inulin 80% of its initial content in the raw material. According to qualitative indicators, the inulin received meets the requirements of TUU 19116716.001.97. Technologies of obtaining high molecular weight fructans and dietic supplement on their basis have been developed, introduced and used by "Inulin, Ltd" and "NVP Inulan Ltd".