Удосконалення технології мармеладу желейно-фруктового з викорстанням плодово-овочевих кріодобавок: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.01 – Технологія хлібопекарських продуктів, кондитерських виробів та харчових концентратів

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню використання плодово-овочевих кріодобавок (кріопасти з айви, яблук, моркви, гарбуза, винограду та кріопорошки з шипшини, обліпихи та винограду) у технології мармеладу желейно-фруктового для підвищення його харчової цінності та розширення асортименту. У дисертації наведено результати аналітичного огляду літературних та патентних джерел вітчизняних і іноземних авторів стосовно досвіду та перспектив використання рослинних добавок у технології желейних виробів. Аналіз продуктів переробки рослинної сировини за кріогенними технологіями та новітніх технологій отримання мармеладних виробів визначив актуальність удосконалення технології мармеладу желейно-фруктового з додаванням плодово-овочевих кріодобавок з метою підвищення його харчової цінності, антиоксидантних та імуномодулюючих властивостей. Досліджено органолептичні та фізико-хімічні показники якості свіжої плодово-овочевої сировини, а також кріопаст і кріопорошків з неї. Визначено хімічний склад та вміст мінеральних речовин у кріодобавках із яблук, айви, моркви, гарбуза, винограду, шипшини та обліпихи. Встановлено, що завдяки технології отримання кріодобавок, заснованої на явищі механоактивації, що виявляється в «ефекті підвищеного витягу» вітамінів та інших біологічно активних і поживних речовин, переведенні їх у біодоступну та легкозасвоювану форму, вони містять більшу кількість біологічно активних речовин порівняно з вихідною сировиною, що дає можливість одержати мармеладні вироби з підвищеною харчовою цінністю. Провідними вченими виявлено, що за високих та надвисоких швидкостей заморожування до температури –35…–40°С, тобто при «шоковому» заморожуванні із застосуванням газоподібного та рідкого азоту окислювальні ферменти повністю інактивуються, що очевидно, пов’язано із значною незворотною денатурацією та кріодеструкцією білкових глобул ферментів та повною інактивацією їх активних центрів. Під час розморожування протягом однієї години кріопаст із плодів і овочів, заморожених до –35…–40°С із використанням «шокового» заморожування, активність окислювальних ферментів не відновлюється Визначено бромну антиоксидантну ємність плодово-овочевої сировини та виготовлених з неї кріопаст і кріопорошків. Встановлено, що антиоксидантна ємність кріодобавок з айви, яблук, винограду, обліпихи та шипшини більша порівняно зі свіжою плодово-овочевою сировиною у 1,8…4,8 разів. Отримані дані свідчать про доцільність використання кріодобавок у технології мармеладу для підвищення його антиоксидантних властивостей. На основі проведених досліджень щодо визначення показників якості, вмісту біологічно активних речовин мармеладу з додаванням кріопаст з айви, яблук, моркви, гарбуза та винограду у кількості 5-25% від загальної маси системи, визначено раціональні дозування кріопаст до рецептурного складу мармеладу. Встановлено, що при додаванні до рецептури 10% кріопаст з яблук та айви мармелад виходить приємного світло-жовтого кольору зі значним вмістом пектинових речовин (52,0…54,4% від добової потреби людини), кріопаст з моркви або гарбуза – мармелад яскравого помаранчевого кольору із вмістом β-каротину (60…70% від добової потреби людини), кріопасти з винограду – яскравого фіолетового кольору з підвищеним вмістом пектинових речовин (24,2% від добової потреби людини). В ході проведених досліджень, розроблено 5 рецептур мармеладу з додаванням кріопаст у кількості 10% від загальної маси системи та зі зниженим рецептурним вмістом драглеутворювача на 20% і лимонної кислоти на 5-10%. З метою розширення асортименту мармеладних виробів з кріопастами, покращення органолептичних характеристик та підвищення вмісту біологічно активних речовин у мармеладі були проведені дослідження щодо використання кількох кріопаст в одній технології. Для оптимізації процесу рецептурного складу мармеладу було проведено планування експерименту. За крітерії оптимізації було обрано показник міцності мармеладного драгля. В якості керуючих чинників, що впливають на функцію відгуку обрано: Х1 – концентрація кріопасти (яблуко, айва), %, Х2 – концентрація кріопасти (морква, гарбуз), %. Як свідчать результати оптимізації, для отримання стандартної міцності оптимальними є наступні значення: концентрація кріопасти з айви – Х1 = 20,07%, концентрація кріопасти з гарбуза – Х2 = 10,04%. Значення міцності в даних показниках 15,5 кПа. Концентрація кріопасти з яблука – Х1 = 20,02 %, концентрація кріопасти з моркви – Х2 = 10,04%. Значення міцності в даних показниках 14,6 кПа. Таким чином, для отримання мармеладного драглю максимальної міцності встановлено наступні оптимальні комбінації та дозування кріопаст з айви та гарбуза та кріопаст з яблук і моркви у кількості 20,0% : 10,0% відповідно від загальної маси системи. Проведено дослідження щодо впливу рецептурної кількості пектину та лимонної кислоти на міцність зразків мармеладу з комбінованими кріопастами. Встановлено, що оптимальним є зменшення кількості пектину на 20% та лимонної кислоти на 5% та 10% для мармеладу з кріопастами з яблук та моркви і з айви та гарбуза відповідно. Готові мармеладні вироби з плодово-овочевими кріопастами з айви та гарбуза мають темно-жовтий колір, з кріопастами з яблук та моркви – яскраво-помаранчевий, приємний смак і аромат добавок. Проведено дослідження вмісту хімічного складу нових желейних виробів з комбінованими кріопастами. Встановлено, що вміст вітаміну С за рахунок додавання кріопаст підвищується приблизно у 39,0…45,0 разів, пектинових речовин – у 2,5…4,0 разів. В контрольному зразку β-каротин відсутній, а у мармеладі з кріопастами міститься в кількості 3,0-3,5 мг/100 г. Таким чином, споживання 100 г нових видів мармеладу дозволить задовільнити добову потребу людини у вітаміні С на 20,8…24%, β-каротині – на 60…70%, пектинових речовинах – на 76…124%. З метою зниження рецептурної кількості цукру, підвищення харчової цінності мармеладу та розширення асортименту желейних виробів запропоновано додаткове введення кріопорошків з шипшини, обліпихи та винограду, які завдяки своїй низькій вологості та кріогенній технології отримання являються концентратами біологічно активних речовин. Кріопорошки додавали до рецептури мармеладу в кількості 1,0...2,5% від загальної маси системи. Встановлено, що раціональним є дозування кріопорошків у кількості 1,5% від загальної маси системи за умов зниження кількості цукру на 5%. Проведено органолептичну оцінку та визначено міцність зразків мармеладу з додаванням кріопорошків. Кращими же смаковими властивостями характеризуються мармеладні вироби з додаванням кріопасти та кріопорошку в наступних комбінаціях: айва-шипшина, яблуко-шипшина, морква-обліпиха, гарбуз-обліпиха та виноград-виноград. Досліджено органолептичні, фізико-хімічні показники якості та хімічний склад нових видів мармеладу з додаванням кріопаст у кількості 10% та кріопорошків у кількості 1,5% до загальної маси системи зі зниженою кількістю драглеутворювача на 20% і цукру на 5%. Встановлено, що усі вироби містять значний відсоток біологічно активних речовин відносно добової потреби людини, так середньодобова потреба людини у вітаміні С при споживанні 100 г задовольняється на 2,72…29,5%, у β-каротині – на 62,2…72,2%, пектинових речовинах – 54,2…96,2% та у антоціанових речовинах (у мармеладі з кріодобавками з винограду) на 19,1%. Отримані дані дозволяють вважати розроблені вироби продуктами оздоровчої дії. Таким чином, на основі проведених досліджень розроблено 12 рецептур мармеладу желейно-фруктового на пектині з додаванням плодово-овочевих кріодобавок та функціонально-технологічну і апаратурну схему для їх виробництва. Відмінністю нової технології є додавання кріопаст наприкінці стадії оброблення мармеладної маси, а кріопорошку – одразу після уварювання мармеладної маси перед її обробленням, тому додаткове обладнання не потребується. Вивчено вплив кріопаст та кріопорошків на структурно-механічні характеристики мармеладу. Встановлено, що пружність і пластичність зразків збільшуються на 0,8...19,0% та 4,1…11,8% відповідно, еластичність знижується на 1,3...8,0%, адгезія – на 0,6…21,0% порівняно з контрольним зразком залежно від виду мармеладу. Отримані дані свідчать про те, що виготовлений мармелад желейно-фруктовий із використанням кріодобавок буде краще формуватися, легше вибиратися з форм та менше деформуватися під час транспортування. Для визначення впливу кріопорошків та кріопаст на вміст вільної та зв’язаної вологи проведено дериватографічні дослідження нових видів мармеладу. Визначено, що на диференційних кривих нагрівання (ДТА) спостерігається екзотермічний процес в інтервалі температур 20…110 С, який супроводжується зменшенням маси. Це свідчить про те, що видалення вільної вологи для нових видів мармеладу починається, як і для контрольного зразка, за температури 20 С, тобто оптимальну температуру зберігання виробів (15…18С) можна залишити без змін. Установлено, що введення до мармеладних мас плодово-овочевих кріодобавок приводить до збільшення вмісту зв’язаної вологи й утримування системою більшої кількості води завдяки підвищеному вмісту природних полісахаридів, зокрема пектинових речовин, порівняно з контролем, що сприятиме повільнішому усиханню і збільшеному терміну зберігання. Спектрофотометричним методом проведено оцінювання тенденції зв’язування вологи в мармеладних масах та визначено, що введення до рецептури маррмеладу кріопаст і особливо кріопорошків дає можливість отримати продукти з більшою кількістю зв’язаної вологи порівняно з контролем. Результати аналізу ІЧ-спектрів у зразках мармеладу з кріопастами та кріопорошками показали, що відбувається зміщення характеристичних смуг гідроксильної групи (3600–3000 см-1) у більш довгохвильову область (3000–2500 см-1). Це свідчить про утворення водневих зв’язків між функціональними групами пектинових речовин рослинних кріодобавок та водою. У нових зразках мармеладу з додаванням плодово-овочевих кріодобавок визначено показники якості й антиоксидантну ємність протягом трьох місяців зберігання. Встановлено, що органолептичні та фізико-хімічні показники якості відповідали вимогам нормативної документації. Визначено, що використання плодово-овочевих кріодобавок у нових видах мармеладу дозволяє підвищити їх антиоксидантну ємність у 2,3…8,0 разів порівняно з контролем. Установлено, що протягом гарантованого терміну зберігання показник антиоксидантної ємності зберігається на рівні 65…85% порівняно зі свіжовиготовленими зразками. Дослідження хімічного складу мармеладу протягом 3 місяців зберігання показало, що нові види мармеладу з кріодобавками містять у 1,5…53,0 рази більше вітаміну С і в 1,7…3,1 разу – пектинових речовин порівняно з контролем. Вміст β-каротину у виробах із кріодобавками становить 2,5…3,0 мг/100 г, антоціанових речовин – 2,0…12,2 мг/100 г. Досліджено мікробіологічні показники свіжовиготовлених зразків мармеладу з кріодобавками та через 3 місяці. Встановлено, що усі зразки мармеладу відповідають вимогам нормативної документації та можуть бути рекомендовані для споживання без загрози здоров’ю людини. Виконано комплекс робіт з упровадження результатів дослідження. Розроблено та затверджено ТУ У 10.8-01566330-314:2016 «Вироби мармеладно-пастильні» та ТІ до ТУ У 10.8-01566330-314:2016, що регламентують процес виробництва продукту. Нові технології мармеладу впроваджено у діяльність ТОВ «Кондитерська фабрика «Солодкий світ», АТВО «Конті», ФОП Жирко С.О., «Готельно-ресторанного комплексу «Antek» – Кондитерська «Jaglo» (Польща), результати дослідження – в освітній процес ХДУХТ. За результатами розрахунків зроблено висновок щодо доцільності впровадження у виробництво технології мармеладу желейно-фруктового на пектині з додаванням плодово-овочевих кріопаст та кріопорошків. Ціна нової продукції визначена на 53,65…72,40 грн за 1 кг реалізованої продукції в асортименті. Розрахунковий економічний ефект від реалізації 1 т розроблених мармеладних виробів складає 5,9…7,9 тис. грн. Оцінка нової продукції за характеристиками ринкових переваг, технічної та практичної здійсненності довела високий рівень ефективності наукової розробки. Загальний середній показник становив 21,3 бали, що досягає 78,8 % максимально можливого рівня оцінки (27 балів) та свідчить про значні перспективи щодо впровадження технології мармеладу желейно-фруктового на пектині з додаванням плодово-овочевих кріодобавок.

The dissertation is devoted to the scientific substantiation of the use of fruit and vegetable cryoadditives (cryopastes from quince, apples, carrots, pumpkins, grapes and cryopowders from roseship, sea buckthorn and grapes) in the technology of jelly-fruit marmalade to increase its nutritional value and expand the range. The dissertation presents the results of an analytical review of literary and patent sources of domestic and foreign authors regarding the experience and prospects of the use of plant additives in the technology of jelly products. Analysis of products of processing of vegetable raw materials obtained using cryogenic technologies and analysis of the latest technologies for producing marmalade products determined the relevance of improving the jelly-fruit marmalade technology with the addition of fruit and vegetable cryoadditives to improve nutritional value, antioxidant and immunomodulating properties. Organoleptic and physico-chemical indicators of quality of fresh fruit and vegetable raw materials, as well as cryopast and cryopowders from it, were investigated. The chemical composition and content of mineral substances in cryoadditives from apples, quinces, carrots, pumpkins, grapes, hips and sea buckthorns are determined. It has been established that, thanks to the technology for the production of cryoadditives, based on the phenomenon of mechanical activation, which is manifested in the “effect of increased extraction ” of vitamins and other biologically active and nutrient substances, transferring them to a bioavailable and easily digestible form, they contain a greater amount of biologically active substances compared to the initial raw material , which makes it possible to get marmalade products with high nutritional value. The leading scientists found that at high and ultra-high freezing rates up to –35…–40°С, that is, when "shock" freezing with the use of gaseous and liquid nitrogen, oxidizing enzymes are completely inactivated, which is obviously due to significant irreversible denaturation and cryodestruction of protein globules and complete inactivation of their active centers. The activity of the oxidative enzymes is not restored during a one-hour defrost of cryopast from fruits and vegetables that have been frozen using "shock" freezing at –35…–40°С. Bromine antioxidant capacity of fruit and vegetable raw materials and cryopaste and cryopowder made from it was determined. It has been established that the antioxidant capacity of cryoadditives from quince, apples, grapes, sea buckthorn and wild rose is 1.8...4.8 times more than fresh fruit and vegetable raw materials. The data obtained indicate the feasibility of using cryoadditives in marmalade technology to increase its antioxidant properties. On the basis of conducted studies on determination of quality indices, the content of biologically active substances of marmalade with the addition of cryopast of quince, apples, carrots, pumpkin and grapes in the amount of 5-25% of the total weight of the system, rational dosage of cryopast to the formulation of marmalade was determined. It has been established that when 10% cryopaste from apples and quince is added to the recipe, marmalade becomes a pleasant light yellow color and the content of pectin increases (52.0...54.4% of the daily human need); when added to the recipe cryopaste from carrots or pumpkins, marmalade becomes bright orange due to the high content of β-carotene (60...70% of the daily human need); when added to the recipe of cryopastes from grapes, marmalade becomes a bright purple color and the content of pectic substances significantly increases (24.2% of the daily human need). In the course of the research, five formulations of marmalade with the addition of cryopast in the amount of 10% of the total weight of the system have been developed, with the prescription content of the gelling agent reduced by 20%, and citric acid by 5-10%. In order to expand the range of marmalade products with cryopastes, improve organoleptic characteristics and increase the content of biologically active substances in marmalade, the possibilities of using several cryopastes in one technology were investigated. To optimize the recipe composition of the marmalade, an experiment was planned. As a criterion for optimization, the index of strength of marmalade gel was selected. As controlling factors influencing the response function, it is chosen: X1 is the concentration of cryopast (apple, quince),%, X2 is the concentration of cryopast (carrot, pumpkin),%. As the optimization results show, the following values are optimal for obtaining standard strength: the concentration of quince cryopast in – X1 = 20,07%, the concentration of pumpkin cryopast – X2 = 10,04%. For these values the strength is 15.5 kPa. Concentration of cryopast with an apple – X1 = 20,02%, concentration of cryopast with carrots – X2 = 10,04%. For these values the strength is 14.6 kPa. Thus, the following optimal combinations and dosage of ciopast of quince and pumpkin and cryopast of apples and carrots in the amount of 20.0% : 10.0%, according to the total weight of the system, were established for the purpose of obtaining a marmalade gel of maximum strength. The influence of prescription quantity of pectin and citric acid on the strength of samples of marmalade with combined cryopastes is investigated. It has been found that the optimum is to reduce the amount of pectin by 20% and citric acid by 5% and 10% for marmalade with apples and carrots, and from quince and pumpkin, respectively. Ready-made marmalade products with fruit and vegetable cryopasts from quince and pumpkin have a dark yellow color, with apples and carrot cryopastas - bright orange, pleasant taste and aroma of supplements. The chemical composition of new jelly products with combined cryopasts was investigated. It has been established that the content of vitamin C due to the addition of cryopast is increased by approximately 39.0...45.0 times, pectin substances – 2.5...4.0 times. In the control sample, β-carotene is absent, and in marmalade with cryopastates it is contained in the amount of 3.0–3.5 mg / 100 g. Thus, the consumption of 100 grams of new types of marmalade will satisfy the daily human need for vitamin C by 20.8...24%, β-carotene – by 60...70%, pectin substances – by 76...124%. In order to reduce the prescription amount of sugar, increase the nutritional value of marmalade and expand the range of jelly products, an additional introduction of cryo-powder from rose hips, sea buckthorn and grapes was suggested, which, due to their low humidity and cryogenic production technology, are concentrates of biologically active substances. Cryopowders were added to the formulation of marmalade in the amount of 1.0...2.5% of the total weight of the system. It is established that rational is the dosage of cryopowders in the amount of 1.5% of the total weight of the system, when the amount of sugar is reduced by 5%. The organoleptic evaluation was carried out and the strength of the marmalade samples with the addition of cryopowders was determined. The best taste properties are marmalade products with the addition of cryopast and cryopowder in the following combinations: quince-rose hips, apple-rose hips, carrots-sea buckthorn, pumpkin-sea buckthorn and grapes-grapes. The organoleptic, physical and chemical parameters of quality and chemical composition of new types of marmalade with the addition of cryopast in the amount of 10% and cryopowders in the amount of 1.5% to the total weight of the system with a reduced amount of gelling agent by 20% and sugar by 5% were studied. It has been established that all products contain a significant percentage of biologically active substances in relation to the daily human need, so the average daily human need for vitamin C at a consumption of 100 g is satisfied at 2.72...29.5%, in β-carotene – by 62.2...72.2%, pectin substances – 54.2...96.2% and in anthocyanins (in marmalade with cryo-additives from grapes) by 19.1%. The obtained data allow us to consider the developed products as health-improving products. Thus, on the basis of the studies made, 12 formulations of jelly-fruit marmalade on pectin with the addition of fruit and vegetable cryoadditives have been developed. Developed functional-technological and instrumental schemes for production. The difference in the new technology is the addition of cryopaste at the end of the processing stage of the jelly mass, and the cryo-powder immediately after boiling the jelly mass before processing, therefore no additional equipment is required. The influence of cryopast and cryopowder on the structural and mechanical characteristics of marmalade has been studied. It was established that the elasticity and plasticity of the samples increase by 0.8...19.0% and 4.1...11.8%, respectively, the elasticity is reduced by 1.3...8.0%, adhesion – by 0.6...21,0% compared to the control sample, depending on the type of marmalade. The data obtained indicate that jelly-fruit marmalade made using cryoadditives will be better formed, it is easier to get out of the forms and to be less deformed during transportation. Derivatographic studies of new species of marmalade have been made to determine the influence on free and bound moisture content. It is determined that on the differential heating curves (DTA) an exothermic process is observed in the range of temperatures of 20...110 ° С, which is accompanied by a decrease in mass. This indicates that the removal of free moisture for new types of marmalade begins, as well as for the control sample, at a temperature of 20 °С, that is, the optimum storage temperature of products (15...18° С) can be left unchanged. It has been established that the addition into the marmalade masses of fruit and vegetable cryoadditives leads to an increase of bound moisture and the maintenance of a larger amount of water due to the increased content of natural polysaccharides, in particular pectin substances, compared to control, which will contribute to slower drying and extended shelf life. The spectrophotometric method evaluates the tendency for moisture binding in marmalade masses and it has been determined that the addition of cryopast and especially cryopowder to the formulation makes it possible to obtain products with a higher amount of bound moisture compared to the control. The results of the analysis of infrared spectra in samples of marmalade with cryopasts and cryopowders showed that the shift of the characteristic bands of the hydroxyl group (3600–3000 cm-1) into the longer-wave region (3000–2500 cm-1) occurs. This indicates the formation of hydrogen bonds between the functional groups of pectin substances of vegetable cryoadditives and water. In new samples of marmalade with the addition of fruit and vegetable cryoadditives, quality indicators and antioxidant capacity have been determined for three months of storage. It was established that organoleptic and physico-chemical quality indicators corresponded to the requirements of regulatory documentation. It has been determined that the use of fruit and vegetable cryoadditives in new types of marmalade can increase their antioxidant capacity by 2.3 to 8.0 times compared to control. It has been established that during the guaranteed storage period, the antioxidant capacity is maintained at 65...85% compared to freshly prepared samples. A study of the chemical composition of marmalade during 3 months of storage showed that new types of marmalade with cryopowders contain 1.5…3.0 times more vitamin C and 1.7-3.1 times pectin substances compared with control. The content of β-carotene in products with cryoadditives is 2.5...3.0 mg / 100 g, anthocyanins – 2.0...12.2 mg / 100 g. The microbiological parameters of freshly prepared marmalade samples with cryo-additives and 3 months later were investigated. It has been established that all samples of marmalade meet the requirements of normative documentation and can be recommended for consumption without risk to human health. Completed works on the implementation of research results. The TU U 10.8-01566330-314: 2016 "Marmalade-Pastille Products" and TI to TU U 10.8-01566330-314: 2016 have been developed and approved, regulating the production process of the product. New marmalade technologies are introduced confectionery factory "Solodkiy Svit", CJSC "KONTI", private entrepreneur "Zhirko S.O.", "Antek Hotel and Restaurant Complex – Confectionary "Jaglo" (Poland), the results of the research - in the educational process KHSUFTT. According to the results of calculations, it was concluded that the technology of jelly-fruit marmalade on pectin with the addition of fruit and vegetable cryopaste and cryopowder is feasible in the production. The price of new products is set at 53.65...72.40 UAH per 1 kg of sold products in the assortment. Estimated economic effect from the sale of one ton of marmalade products developed is 5,9...7,9 thousand UAH. The evaluation of new products by the characteristics of market advantages, technical and practical feasibility has proven a high level of efficiency of scientific development. The overall average was 21.3 points, which reaches 78.8% of the maximum possible level of assessment (27 points) and indicates significant prospects for the introduction of jelly-fruit marmalade technology on pectin with the addition of fruit and vegetable cryoadditives.