Технологія заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок і оздоровчих продуктів із інуліновмісної сировини з використанням кріодеструкції та механоактивації: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.13 - Технологія консервованих і охолоджених харчових продуктів

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню та розробці технології заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топінамбура), що є джерелом пребіотичних речовин, а також натуральними структуроутворювачами та одночасно збагачувачами біологічно активними фітокомпонентами. Виробництво нових добавок засновано на використанні як інновації процесів кріодеструкціі та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення, спільне застосування яких призводить до часткової деструкції гетерополісахаридів (інуліну, целюлози), а також білку, пектинових речовин до їх окремих мономерів (фруктози, цукрів, ɑ-амінокислот, розчинного пектину) та одночасного збільшення масової частки біологічно активних фітокомпонентів (фенольних сполук, дубильних речовин, L-аскорбінової кислоти тощо), а також до інактивації окислювальних ферментів, що дає можливість зберегти отриману високу харчову та біологічну цінність добавок протягом терміну зберігання та використання отриманих добавок у складі оздоровчих продуктів (комбінованих кисломолочних напоїв, порошкоподібних «Instant» нанонапоїв). Перспективною сировиною для отримання функціональних оздоров-чих продуктів та добавок, що мають пребіотичні властивості та сприяють зміцненню захисних сил організму, є топінамбур, який в останні десять років в таких країнах, як США, Канада, Бразилія, Франція, Білорусь входить до числа основних сільськогосподарських культур, що використовується в харчовій, фармацевтичній та інших галузях промисловості як сировина для отримання продуктів оздоровчого та дієтичного харчування, фітопрепаратів, біоетанолу та інших видів продукції, що користується попитом на внутрішньому та зовнішніх ринках. Цінність топінамбуру для харчової промисловості визначається, насампе-ред, вуглеводним складом, оскільки сухі речовини бульб топінамбуру на 80 % представлені пребіотиком інуліном, що є єдиним натуральним полісахаридом, який на 95 % складається із нешкідливого для діабетиків цукру фруктози. Крім того, за вмістом вітамінів С, В1, В2, а також за вмістом заліза, кремнію, цинку топінамбур перевищує моркву та буряк в 3 рази. Труднощі при переробці топі-намбуру полягають в тому, що в присутності кисню повітря під дією ферменту поліфенолоксидази відбувається окислення фенольних сполук з утворенням темно забарвлених речовин, що значно псує колір готового продукту. Крім то-го, існуючі технології переробки топінамбуру в різні добавки у формі порошків, паст з використанням паротермічної обробки, сушіння, не дозво-ляють частину інуліну трансформувати до легкозасвоюваної фруктози. Обробка ферментними препаратами дозволяє трансформувати біля 10 % інуліну до фруктози. В зв’язку з цим актуальним є пошук технологічних прийомів та розробка технологій, які дозволяють отримати добавки та продукти з топінамбура високої якості. В представленій роботі як інновацію при розробці технології заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топінамбура) було запропоновано використовувати кріогенне «шокове» заморожування та дрібнодисперсне подрібнення, що є перспективними способами технологічної обробки сировини, застосування яких супроводжується процесами кріодеструкції та механоактивації, що дозволило отримати добавки та оздоровчі продукти з їх використанням високої харчової та біологічної цінності. Доцільність розробки натуральних дрібнодисперсних добавок і оздоровчих продуктів із інуліновмісної сировини, які одночасно є джерелом пребіотичних речовин, а також натуральними структуроутворювачами та збагачувачами біологічно активними фітокомпонентами склалася завдяки роботам таких вітчизняних та закордонних вчених, як: Вєркін Б.І., Павлюк Р.Ю., Погарська В.В., Снєжкін Ю.Ф., Барабойм Н.Н., Капрельянц Л.В., Бессараб О.С., Орлова Н.Є., Шатнюк Л.М., Спірічев В.Б., Белінська С.О. та ін. Метою роботи є наукове обґрунтування технології заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топі-намбура) з використанням як інновації кріодеструкції та механоактивації, що дозволяють інактивувати окислювальні ферменти, трансформувати важко-розчинні біополімери (інулін, пектин, целюлозу, білок) в легкозасвоювану фор-му, зберегти біологічно активні фітокомпоненти під час переробки топінамбура та використання отриманих з нього добавок у складі оздоровчих продуктів. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання: – вивчити комплекс пребіотичних речовин (інуліну пектину, целюлози, білку) та біологічно активних фітокомпонентів (фенольних сполук, дубильних речовин, L-аскорбінової кислоти тощо) топінамбура – сировини для отримання заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок; – вивчити вплив заморожування до температури –18°С традиційним способом в морозильній камері та кріогенним способом із застосуванням рідкого азоту та дрібнодисперсного подрібнення на активність окислювальних ферментів топінамбура та визначити умови заморожування, при яких відбувається інактивація ферментів; – вивчити вплив процесів кріодеструкції та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення на деструкцію інуліну, а також інших гетерополісахаридів – целюлози, пектинових речовин топінамбура; – вивчити вплив процесів кріодеструкції та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення на деструкцію молекул білка топінамбура та трансформацію амінокислот із зв’язаної форми у вільну під час отримання заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок; – вивчити вплив процесів кріодеструкції та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення на збереження біологічно активних фітокомпонентів (фенольних сполук, дубильних речовин, L-аскорбінової кислоти тощо) топінамбура; – розробити кріогенну технологію заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топінамбура) з використанням кріодеструкції та механоактивації, вивчити якість за вмістом пребіотичних речовин та біологічно активних фітокомпонентів при виробництві та зберіганні, розробити НД (ТУ), провести апробацію в промислових умовах, розрахувати ТЕО; – розробити рецептури, технологічну схему та технологію оздоровчих продуктів з використанням замороженої дрібнодисперсної добавки з топінамбура – комбінованих кисломолочних напоїв, вивчити якість, провести апробацію в промислових умовах, розрахувати ТЕО, розробити на них НД; – розробити рецептури та технологію оздоровчих продуктів з використанням порошкоподібної дрібнодисперсної добавки з топінамбура – порошкоподібних «Instant» нанонапоїв, вивчити їх якість, провести апробацію, розрахувати ТЕО. Встановлено, що топінамбур є джерелом комплексу неперетравлювальних компонентів їжі – пребіотичних речовин, склад яких представлений переважно інуліном, а також целюлозою, пектиновими речовинами, білком, загальна масова частка яких становить 60…65 % сухих речовин продукту, та джерелом біологічно активних фітокомпонентів (фенольних сполук, дубильних речовин, L-аскорбінової кислоти тощо) антиоксидантної та імуномодулюючої дії. Модельними дослідженнями показано, що заморожування до температури мінус 18°С традиційним способом в морозильній камері та кріогенним способом із застосуванням рідкого азоту призводить до збільшення активності окислювальних ферментів (пероксидази, поліфенолоксидази) топінамбура в 1,3…1,4 рази та встановлено, що застосування кріогенного «шокового» заморожування до температури всередині продукту в діапазоні від мінус 32 до мінус 35°С та нижче за рахунок процесів кріодеструкції призводить до інактивації ферментів, активність яких не відновлюється при подальшому дрібнодисперсному подрібненні. Встановлено, що процеси кріодеструкції та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення топінамбура призводять до руйнування та часткової трансформації інуліну та інших важкорозчинних гетерополісахаридів топінамбура до їх мономерів (40....50 % інуліна – до фруктози, 45...55 % целюлози – до глюкози). Показано, що під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення топінамбура за рахунок процесів кріодеструкції та механоактивації відбувається більш повне вилучення (в 3,0…3,5 рази) загальної кількості пектинових речовин із зв’язаного з іншими біополімерами стану у вільний та часткова трансформація (на 30...50 %) протопектину в розчинний пектин. Встановлено, що під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення відбувається деструкція молекул білка до окремих мономерів (амінокислот) та часткова трансформація амінокислот із зв’язаної форми у вільну (на 45…55 %) при отриманні заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок. Показано, що використання процесів кріодеструкціі та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення топінамбура дає можливість зберегти, додатково вилучити та трансформувати біологічно активні фітокомпоненти (фенольні сполуки, дубильні речовини, L-аскорбінову кислоту тощо) із зв’язаного у нанокомплексах з біополімерами стану у вільний і отримати заморожені та порошкоподібні дрібнодисперсні добавки, масова частка зазначених речовин в яких вище в 1,7…2,2 рази, ніж у вихідній (свіжій) сировині. Збільшення масової частки фітокомпонентів підтверджено методом ІЧ-спектроскопії. Розроблено технологію заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топінамбура) з використанням кріодеструкції та механоактивації під час кріогенного «шокового» заморожування та дрібнодисперсного подрібнення, спільне застосування яких дозволяє інактивувати окислювальні ферменти, зберегти та збільшити у порівнянні зі свіжою сировиною харчову та біологічну цінність отриманих добавок; обгрунтовано технологічні процеси та технологічні параметри, розроблено технологічні схеми виробництва, вивчено якість при отриманні та зберіганні, розроблено нормативну документацію (ТУ), проведено апробацію в промислових умовах, розраховано ТЕО. Розроблено рецептури, технологічні схеми та технології нових оздоровчих продуктів (комбінованих кисломолочних напоїв та порошкоподібних «Instant» нанонапоїв) з використанням як інновації заморожених та порошкоподібних дрібнодисперсних добавок із інуліновмісної сировини (топінамбура), які є джерелом пребіотичних речовин, а також натуральними структуроутворювачами та одночасно збагачувачами біологічно активними фітокомпонентами, що дозволяє отримати продукти високої харчової та біологічної цінності без застосування синтетичних інгредієнтів, якість яких перевершує вітчизняні та закордонні аналоги. Розроблено та затверджено на рівні МОЗ України НД на заморожені дрібнодисперсні добавки з топінамбура (ТУ У 10.3-01566330-283:2013), проекти НД на порошкоподібні дрібнодисперсні добавки з топінамбура та отримані з їх використанням продукти для оздоровчого харчування – комбіновані кисломолочні напої «Топі-Лактонія», «Лакто-Каротин», «Лакто-Мікс». Проведено апробацію у виробничих умовах і вироблено дослідні партії на підприємствах м. Харкова та області: ТОВ «ФМ Хладопром», ТОВ «Богодухівський молзавод», ПП «НВП Кріас-Плюс». Розраховано економічний ефект від впровадження нових видів добавок та оздоровчих продуктів з їх застосуванням в виробництво, який свідчить про ефективність. Основні результати досліджень доповідалися і обговорювалися на Всеукраїнських науково-практичних конференціях молодих вчених і студентів «Інноваційні технології розвитку у сфері харчових виробництв, готельно-ресторанного бізнесу, економіки та підприємництва: наукові пошуки молоді» (ХДУХТ, м. Харків, 2015-2017 рр.) та міжнародних науково-практичних конференціях молодих вчених і студентів «Розвиток харчових виробництв, ресторанного та готельного господарств і торгівлі: проблеми, перспективи, ефективність» (ХДУХТ, м. Харків, 2014-2017 рр.), на 8-му Міжнародному Центральноєвропейському конгресі з харчової науки СЕFood-2016 (НУХТ, м. Київ, 2016 р.). Результати наукових досліджень за дисертаційною роботою, отримані протягом 2-х років навчання в аспірантурі (2014-2015 рр.), були оформлені у вигляді звіту та одержали перемогу у конкурсі на здобуття академічної стипендії ім. Кабінету Міністрів України для молодих вчених. Крім того, отримано три золоті медалі та грамоти 3-х міжнародних фестивалей «AgroCookFest-2016», «KazanFire Fest-2017», «OttomanFest-2018» за представлені в «art-class» дрібнодисперсні добавки із топінамбура та отримані з їх використанням оздоровчі продукти.

The thesis is devoted to the scientific substantiation and development of technology of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour), which can be simultaneously the sourse of prebiotic compounds, natural structure-forming agents and enrichers of biologically active phytocomponents. The production of new additives is based on the common use of cryodestruction and mechanoactivation during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding as innovation, the application of which leads to a partial destruction of heteropolysaccharides (inulin, cellulose), as well as protein, pectin substances to their individual monomers (fructose, sugars, α-amino acids, soluble pectin). Besides it these processes lead to simultaneous increase of mass fraction of biologically active phytocomponents (phenolic compounds, tannins, L-ascorbic acids etc.), and to inactivation of oxidative enzymes, which allows keeping the high nutritional and biological value of the additives during the storage period and use of the obtained additives in the composition of health-improving products (combined sour-milk beverages, powdered "Instant" nanobeverages). The perspective raw material for obtaining of functional health-improving products and additives that have prebiotic properties and contribute to the strengthening of the body's protective forces is topinambour. It is one of the main agricultural crops, which has been used for the last ten years in the countries such as: USA, Canada, Brazil, France and Belarus in the food, pharmaceutical and other industries as a raw material for the production of health-improving and dietary foods, phytopreparations, bioethanol and other types of products which are in demand in domestic and foreign markets. The value of topinambour for the food industry is determined, first of all, by the carbohydrate composition, where the dry matter of the tubers in topinambour is represented by 80 % of the prebiotic inulin, which is the only natural polysaccharide, which is consists of 95% of fructose, which is harmless for diabetics. In addition, the content of vitamins C, B1, B2, as well as the content of iron, silicon and zinc in topinambour exceeds 3 times their content in carrots and beets. There are the following difficulties in the processing of topinambour such as: in the presence of oxygen the oxidation of phenolic compounds occur due to the influence of the enzyme polyphenol oxidase, that results to the formation of dark colored substances, which greatly spoils the color of the finished product. In addition, the existing technologies for the processing of topinambour into various additives in the form of powders, pastes using the steam-thermal treatment and drying, do not allow the transformation of some inulin into easily digestible fructose. The treatment with enzyme preparations can transform about 10 % of inulin to fructose. In this regard, the search for technological methods and the development of technologies that allow the production of additives and products from topinambour with a high quality are relevant. As an innovation in the presented work, during the development of technology of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour), it was proposed to use cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding, which are promising methods for the processing of raw materials, the use of which is accompanied by processes of cryodestruction and mechanoactivation, which allowed to obtain additives and health-improving products with their use with high nutritional and biological values. The expediency of the development of natural fine-dispersed additives and health-improving products from inulin-containing raw materials, which simultaneously are the source of prebiotic substances, as well as natural structure-forming agents and enrichers by biologically active phyto-components, has developed thanks to the work of such domestic and foreign scientists as: Verkin B.I., Pavlyuk R.Yu., Pogarskaya VV, Snezhkin Yu.F., Baraboym NN, Kaprelyants LV, Bessarab O.S., Orlova N.E., Shatnjuk L.M., Spirichev VB, Belinska S.O. etc. The purpose of the work is to provide the scientific substantiation of the technology of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour) using as innovations of cryodestruction and mechanoactivation, allowing to inactivate oxidative enzymes, to transform the difficult soluble biopolymers (inulin, pectin, cellulose, protein) into easily digestible form, to keep biologically active phytocomponents during the processing of topinambour and to use the obtained additives in the composition of health-improving products. To achieve this goal it was necessary to solve the following tasks: – to study a complex of prebiotic substances (inulin, pectin, cellulose, protein) and biologically active phytocomponents (phenolic compounds, tannins, L-ascorbic acid etc.) in topinambour – raw materials for obtaining frozen and powdered additives; – to study the influence of freezing till the temperature of –18°C by the traditional method in a freezing chamber and by a cryogenic method with the use of liquid nitrogen and fine-dispersed grinding on the activity of the oxidizing enzymes in topinambour and to determine the conditions of freezing, which contribute the inactivation of enzymes; – to study the influence of processes of cryodestruction and mechanoactivation during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding on the destruction of inulin, as well as other heteropolysaccharides – cellulose, pectin substances in topinambour; – to study the influence of cryodestruction and mechanoactivation processes during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding on the destruction of protein molecules in topinambour and the transformation of amino acids from the bound form into the free form during the production of frozen and powdered additives; – to study the influence of cryodestruction and mechanoactivation processes during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding on preservation of biologically active phytocomponents (phenolic compounds, tannins, L-ascorbic acid etc.) in topinambour; – to develop the cryogenic technology of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour) with the use of cryodestruction and mechanoactivation, to study their quality by the content of prebiotics and biologically active phytocomponents during the production and storage, to develop the normative documentation (Technical Specifications), to conduct approbation in industrial conditions, to calculate the feasibility study; – to develop formulations, technological scheme and technology of health-improving products with the use of frozen fine-dispersed additives from topinambour – combined sour-milk beverages, to study their quality, to conduct approbation in industrial conditions, to calculate the feasibility study, to develop the normative documentation; – to develop formulations and technology of health-improving products with the use of powdered fine-dispersed additives from topinambour – powdered "Instant" nanobeverages, to study their quality, to conduct approbation in industrial conditions, to calculate the feasibility study. It is investigated that topinambour is a source of a complex of nondigestible food components – prebiotic substances (represented mainly by inulin, as well as cellulose, pectin substances and protein, the total mass fraction of which is 60...65 % of dry matter in the product) and biologically active phytocomponents (phenolic compounds, tannins, L-ascorbic acid, etc.) with antioxidant and immunomodulatory effects. The model researches have shown that the freezing to a temperature minus 18°C by the traditional way in a freezing chamber and by the cryogenic method using liquid nitrogen leads to an increase of activity of the oxidative enzymes in topinambour 1,3...1,4 times and it is determined that the use of cryogenic "shock" freezing to the temperature minus 32 – minus 35°С and below inside the product leads to inactivation of enzymes, the activity of which is not restored with further fine-dispersed grinding. The mechanism of it has been also found. It is revealed that the use of cryodestruction and mechanoactivation during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding of topinambour leads to the destruction and partial transformation of inulin and other hardly soluble heteropolysaccharides of topinambour to their monomers (40…50 % of inulin to fructose, 45…55 % of cellulose – to glucose). It is determined that due to the processes of cryodestruction and mechanoactivation it occurs the more complete removal (3,0...3,5 times more) of the total amount of pectin substances from the bound with other biopolymers state into a free state and the part of protopectin (30…50 %) in topinambour is transformed into a soluble pectin during the cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding. It is found that during the cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding it occurs the destruction of protein molecules to the individual monomers (amino acids) and their partial transformation (45...55 %) from the bound form into a free form during the obtaining of frozen and powdered fine-dispersed additives. It is determined that the use of cryodestruction and mechanoactivation during the cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding of topinambour makes it possible to preserve, remove additionally and transform biologically active phytocomponents (phenolic compounds, tannins, L-ascorbic acid, etc.) from the bound with biopolymers in nanocomplexes state to a free state. It allows obtaing the frozen and powdered additives, which contain 1,7...2,2 times more of these substances than the original (fresh) raw materials. An increase of the mass fraction of α-amino acids is confirmed by the infra-red spectroscopy. It is developed the technology of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour) with the use of cryodestruction and mechanoactivation during cryogenic "shock" freezing and fine-dispersed grinding, the common application of which allows inactivating oxidative enzymes, preserving and increasing the nutritional and biological value of the obtained additives in comparison with fresh raw materials; the technological processes and technological parameters are substantiated; the technological schemes of production are developed, the quality of products is studied during their obtaining and storing; the normative documentation (Technical Specifications) is elaborated; approbation is carried out in production conditions, the feasibility study is calculated. It is developed the formulations, technological schemes and technologies of new health-improving products (combined sour-milk beverages and powdered "Instant" nano-beverages) with the use of frozen and powdered fine-dispersed additives from inulin-containing raw materials (topinambour) as innovation, which are used as a source of prebiotic compounds, natural structure-forming agents and simultaneously enrichers of biologically active phytocomponents. It allows obtaining the products with high nutritional and biological value without the use of synthetic components, the quality of which exceeds the quality of domestic and foreign analogues. It is developed and approved the normative documentation for frozen fine-dispersed additives from topinambour (Technical Specifications of Ukraine 10.3-01566330-283: 2013) at the level of the Ministry of Health in Ukraine, the drafts of normative documentation for powdered fine-dispersed additives from topinambour and the health-improving products, obtained with their use – combined sour-milk beverages "Topi-Lactonium","Lacto-Carotene","Lacto-Mix". The approbation of the technologies is carried out in industrial conditions, the pilot batches of additives and health-improving products are produced at the enterprises of Kharkiv and region: OOO "FM Khladoprom", OOO "Bogodukhiv Molzavod", PP "Research and Production Enterprise Kryas Plus". The economic effect for the introduction of new types of additives and health-improving products with their use is calculated. It indicates about their efficiency. The main results of the research were reported and discussed at the All-Ukrainian scientific and practical conferences of young scientists and students "Innovative technologies of development in the field of food production, hotel and restaurant business, economy and entrepreneurship: scientific researches of youth" (KSUFTT, Kharkiv, 2015-2017) and international scientific and practical conferences of young scientists and students "Development of food production, restaurant and hotel industry and trade: problems, prospects, efficiency" (KSUFTT, Kharkiv, 2014-2017), at the 8th International Central European Food Science Congress CEFood-2016 (NUFT, Kyiv, 2016). The results of scientific researches in dissertation work, received during 2 years of studying in the postgraduate study program (2014-2015), were designed as a report and took a victory in the competition for obtaining academic scholarship named by Cabinet of Ministers of Ukraine for Young Scientists. In addition, three gold medals and diplomas were received in the 3 international festivals – "AgroCookFest-2016", "KazanFire Fest-2017" and "OttomanFest-2018" for the represented in "art-class" fine-dispersed additives from topinambour and the health-improving products with their use.