Наукове обґрунтування технологій продуктів оздоровчого призначення, збагачених на ессенціальні мікронутрієнти: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено теоретичному та експериментальному обґрунтуванню технологію дієтичних добавок як джерела збагачення харчових продуктів і страв на ессенціальні мінеральні речовини та харчових продуктів з їх використанням. Виробництво розроблених дієтичних добавок дозволяє скорегувати мінеральний обмін пересічних громадян, створити підстави для виробництва широкого асортименту конкурентоспроможної продукції з високим фізіологічним потенціалом. На основі теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано й доведено наукову концепцію дослідження, яка полягає в тому, що в технологіях харчових продуктів оздоровчого призначення застосування харчової сировини, дієтичних добавок йодобілкової та селен-білкових та на основі хелатних комплексів дозволить забезпечити цільове надходження до організму ессенціальних мінеральних речовин із метою корегування або стабілізації білково-мінерального стану людини. На основі ретельного аналізу метаболізму ессенціальних мінеральних сполук в організмі людини розроблено схеми кінетики метаболізму ессенціальних мінеральних сполук. Визначені умови та шляхи, що сприяють засвоєння цих речовин в процесі метаболізму організмом людини. Зазначені схеми складені з урахуванням синергізму та антагонізму хімічних елементів на процес засвоєння. Науково обґрунтовано ефективні форми сполук для засвоєння організмом людини та забезпечення гомеостазу. Науково обґрунтовано та запропоновано раціональні шляхи вирішення проблеми усунення дефіциту ессенціальних мінеральних речовин. Доведено, що ессенціальні мінеральні речовини входять до різних біологічних ланцюгів, між ними простежується певний взаємозв’язок. З погляду фізіології та біохімії людини, організм представляє собою комплекс хімічних елементів у вигляді різних сполук. Для забезпечення гомеостазу, вони повинні надходити у вигляді певних сполук. Серед цих елементів, одні потребують умов для засвоєння, оскільки зі складних мінеральних сполук організм не отримує фізіологічно необхідної кількості елемента, інші не мають перешкод для засвоєння, але існує загроза, уразі їх надмірного надходження, прояву токсичної дії. Доведено необхідність створення органічних сполук ессенціальних мінеральних речовин для забезпечення відновлення дефіциту цих сполук та контролю цього процесу організмом людини. Запропоновано три шляхи вирішення проблеми засвоєння ессенціальних мінеральних сполук. Перший шлях передбачає створення дієтичних добавок на основі хелатних комплексів. В другому випадку надходження ессенціальніх мінеральних речовин відбувається за рахунок мінерально-органічних добавок, що мають у своєму складі складову тваринного походження та мінеральну речовину. І третій шлях – харчова сировина, де у якості джерела мінеральних речовин використовується напівфабрикат з молюска прісноводного. Ретельний аналіз існуючої науково-технічної літератури та фізіології процесів мінерального обміну людини теоретично обґрунтовано ефективність створення мінерально-органічних добавок, які здатні утворювати вандервальсові комплекси з повноцінними білками тваринного походження. Для залучення до метаболізму сполук необхідні певні енергетичні витрати з боку організму. Розроблено варіанти добавок на прикладі ессенціальних мінеральних речовин І та Se та білка курячого яйця і молочної сироватки. Встановлені оптимальні режими отримання йодобілкової добавки (pH 7 ± 0,2 із 0,4 н. розчину KI t= 20 0C, τ= 2×602 с) з подальшим сушінням отриманої маси та видаленням неорганічних залишків йоду із порошкоподібної системи шляхом термостатування за t=50±50C впродовж (10..12)×602 с. Показники якості та безпечності нової добавки відображено в ТУ У 108-01566330-281:2013 «Добавки збагачувальні білково-мінеральні» Розроблено та науково обґрунтовано технологію добавок дієтичних селен-білкових (ДДСБ) – «Сивоселен» та «Неоселен» на основі молочної сироватки. В якості джерела сполук Se використовують CaSeO4 для «Сивоселену» та NaSeO5 для «Неоселену». Встановлено форми, в яких представлен Se у ДДСБ та характер його сполучення із білками сироватки молока. Виявлено 26,7 % металічного селену, 39% селенобілкових сполук та 33% у вигляді непрореагованих неорганічних сполук. Визначені органолептичні і фізико-хімічні, мікробіологічні та токсикологічні показники ДДСБ у тому числі протягом зберігання. Встановлено умови та терміни зберігання, які становлять за t не вище 20 0C і відносній вологості повітря 75 % 6 місяців. Науково обґрунтовано та розроблено технологію напівфабрикатів природного походження з прісноводних молюсків, як джерела білка та ессенціальних мінеральних сполук. Для забезпечення постачання цією сировиною вітчизняної харчової галузі розроблено та науково обґрунтовано технологію промислового розведення, яка дає можливість створити сировину з модульованими функціонально-технологічними властивостями. Відповідно до вимог діючих законодавчих та нормативних документів визначено показники безпечності напівфабрикату з молюска прісноводного. Обґрунтовано умови та терміни зберігання напівфабрикату, що становлять за температурі – 18 0С 6 місяців. З метою можливості усунення дефіциту синергічних ессенціальних мінеральних речовин побудовано математичну модель взаємного розташування дієтичних порошкоподібних добавок. Встановлено, що у харчовій системі на 1 часточку добавки йодобілкової діаметром 400 мкм припадає 150 частинок добавки «Неоселен» діаметром 15 мкм, що дозволяє зберегти співвідношення I та Se відповідно до добової потреби у готовій добавці. Встановлено межі розмірів між добавками «Неоселен» (d1) та добавки йодобілкової (d2) для кількості 300 шт заповнення сфери діаметра d1 + 2d2 з щільністю 0,9. Модель дозволила обґрунтувати відносну дисперсність добавок відповідно до умов їх створення. Розроблено та науково обґрунтовано технологію дієтичних порошкоподібних добавок на основі хелатних комплексів. Досліджено органолептичні, фізико-хімічні, мікробіологічні, токсикологічні показники добавок та їх зміни під час зберігання. Встановлена послідовність технологічних операцій та обґрунтовано їх режими. А саме витримка суміші NaКМЦ та хелату за t = 18…20 0C τ = (60…90)×60с з подальшим сушінням при t= 100…1100C. Обґрунтовано доцільність збагачення соусів емульсійного типу з розробленими дієтичними добавками. Встановлено, що при частковій заміні яєчного порошку на добавку йодобілкову на стадії перемішування в кількості 1% підвищується стійкість емульсій соусів. Розроблені технології адаптовані до умов існуючих виробників ресторанного господарства та промисловості, що дозволило отримати певні економічні та соціальні ефекти. Розроблено та науково обґрунтовано технологію макаронних виробів, збагачених ессенціальними мінеральними елементами. Встановлено, що додавання дієтичних порошкоподібних добавок на основі хелатних комплексів у кількості 1,0 та 2,0% до маси борошна призводить до покращення варильних показників якості макаронних виробів – підвищується коефіцієнт збільшення маси на 9,5 та 19,0%, відповідно, порівняно з контролем, зменшуються втирати сухих речовин, що переходять у варильне середовище, на 7,0 та 19,0%. У разі збільшення дозування дієтичних порошкоподібних добавок на основі хелатних комплексів до 4,0% макаронні вироби під час варіння більш інтенсивно поглинають вологу, про шо свідчить зростання коефіцієнту збільшення маси на 42,9% порівняно з контролем, починають злипатися та втрачають форму. Перехід сухих речовин у варильне середовище при цьому зростає на 9,5%. За дозування більше 2,0 % над властивостями клейковини починають переважати властивості самої добавки – велика здатність до набухання та утворення в’язких розчинів, що негативно впливає на варильні показники якості макаронних виробів. Розроблено та науково обґрунтовано технології хлібобулочних виробів, збагачених ессенціальними мінеральними сполуками. Встановлено, що в залежності від виду тістових заготовок додавання добавки змінює реологічні характеристики. Відносна пластичність збільшується на 30,2…45,7% в порівнянні з традиційними виробами, що поліпшується зміною співвідношення вільно-зв’язана вода у досліджуваних харчових системах. Відбувається збільшення кількості невимороженої води в порівнянні з контролем в межах 12…17 разів в залежності від виду тістових заготовок, що дає можливість подовжити терміни зберігання розробленої продукції Розроблено та науково обґрунтовано технологію м'ясних посічених виробів. Експериментально визначені закономірності розподілення порошкоподібних дієтичних добавок у складі м’ясних посічених виробів. Встановлено, що у зразках з геометричними розмірами 5×5×5 см розподіленого на 8 рівних частин розподілення Mn2+ коливається в межах ±25%, що задовольняє межі роботи щодо рівномірного розподілення мінеральних речовин в харчових системах. Томограми ЯМР і ЕПР показали, що крім фактору механічного розподілу добавок в харчових системах, велику роль відіграє кількість водного компоненту в даній частині системи. Встановлено, що кількість спінової мітки в певному об'ємі корегує з кількістю та часом релаксації води, що вказує на залежність розподілу порошкоподібної дієтичної добавки від рецептури м’ясних посічених виробів. Проведено медико-біологічні дослідження лікувального та лікувально- профілактично застосування дієтичних порошкоподібних добавок мінерально-органічних та на основі хелатних комплексів на лінійних щурах. При вживанні 1,5 мг добавки в умовах гострого впливу на організм іонізуючого випромінювання у дозі 7,0 Гр, виявлені радіомодифікуючі властивості добавок на основі хелатів селену та йоду, які реалізувалися у зниженні виникнення клінічних проявів ГПХ, зростанні показників 30-добової виживаності, модифікації профілю пострадіаційної загибелі та поліпшенні гематологічних і біохімічних показників при гострому опроміненні у дозі 7,0 Гр.

The dissertation is devoted to theoretical and experimental substantiation of the technology of dietary supplements as a source for the enrichment of food products and dishes with essential minerals and food products with their use. The manufacture of the developed dietary supplements allows to coordinate mineral metabolism of average citizens, to create the background for the manufacture of a wide range of competitive products with high physiological potential. Based on theoretical and experimental research, scientific concept of the research is formulated and proved - creation of foods enriched with essential micronutrients, which would provide a dynamic balance in the reception, digestion, deposition and excretion of minerals from the body. Based on a thorough analysis of the metabolism of essential mineral compounds in a human body, the kinetics of metabolism of essential mineral compounds is developed. The conditions and ways promoting the absorption of these substances in the process of metabolism by the human body are specified. These schemes are made with the account the synergism and antagonism of chemical elements in the process of assimilation. The attention is focused on the ways of transport, depositing and excretion of elements from the human body. Effective forms of compounds for the digestion by the body and providing homeostasis are scientifically substantiated. Rational ways of solving the problem of eliminating the deficiency of essential minerals are scientifically substantiated and suggested. It is proved that essential minerals belong to different biological chains, with some correlation between them. In terms of human physiology and biochemistry, the body is a complex of chemical elements in the form of various compounds. To ensure homeostasis, they must come in the form of certain compounds. Among these elements, some require conditions for the digestion, because the body does not receive physiologically necessary amount of the element from complex mineral compounds, others do not have obstacles for assimilation, but there is a threat of the manifestation of toxic action in case of their excessive admission. The necessity of creating organic compounds of essential minerals to recover deficiency of these compounds, and control of this process by the human body is proved. Three ways of solving the problem of essential mineral compounds assimilation are suggested. The first way involves introduction of dietary supplements of mixed type, which have the component of animal origin and mineral substance in their composition. In the second case, essential minerals are supplied in the form of food raw materials, where semi-finished product from freshwater mollusk is used as a source of minerals. The third way is dietary supplements in a purely chemical state based on chelate complexes. Thorough analysis of modern scientific and technical literature and physiology of the processes of mineral metabolism of man helped theoretically substantiate effectiveness of the creation of supplements of mixed type, which are able to form Van der Waals complexes with complete proteins of animal origin. In order to be involved in the metabolism of the compounds, certain energy costs are required on the part of the body. Variants of supplements of mixed type using essential minerals I and Se and yolk of chicken eggs and whey have been developed as an example. Optimal modes for obtaining iodine supplement (pH 7 ± 0.2 with 0.4 n of KI solution t = 200C, τ = 2 × 602 s) were determined. It was followed by drying of the obtained mass and removal of inorganic iodine residues from the powder system by thermostating for t = 50 ± 50C for (10...12) × 602 s. Indicators of quality and safety of a new supplement are reflected in TS U 108-01566330-281:2013 "Protein-mineral enrichment supplements”. The technology of dietary additives of mixed selenium-protein (DAMSP) type - "Syvoselen" and "Neoselen" based on whey has been developed and scientifically substantiated. As a source of Se compounds, CaSeO4 is used for "Syvoselen" and NaSeO5 for "Neoselen". Forms, in which Se is presented in DAMSP, and the nature of its combination with milk whey proteins, have been determined. 26.7% of metallic selenium, 39% of selenium protein compounds and 33% of unreacted inorganic compounds are found. Organoleptic and physicochemical, microbiological and toxicological parameters of DAMSP have been determined including the storage period. Terms and conditions of storage, which do not exceed 200C and relative humidity of 75%, have been established for the period of 6 months. For the first time, the technology of additives - semi-finished products of natural origin from freshwater mollusks, as a source of protein and essential mineral compounds, is scientifically substantiated and developed. To provide the supply of these raw materials to the domestic food industry, industrial breeding technology has been developed and scientifically substantiated, which makes it possible to create raw materials with modulated functional and technological properties. According to the requirements of the current legislative and regulatory documents, safety indices of the freshwater mollusk are determined. The conditions and terms for the semi-finished product storage at 180С for 6 months, are substantiated. In order to eliminate the deficiency of synergistic essential minerals, a mathematical model of mutual arrangement of the additives of powders is constructed. It is found that in the food system, one particle of 400 μm iodine supplement contains 150 particles of 15 μm of "Neoselen" supplement that allows to maintain the ratio of I and Se according to the daily requirement for the finished additive. The size limits between "Neoselen" supplement (d1) and iodine protein supplements (d2) are established for 300 pieces with a density of 0.9 filling the diameter sphere d1 + 2d2. The model allowed to justify relative dispersion of additives according to the conditions of their creation. The technology of dietary powder supplements based on chelate complexes is developed and scientifically substantiated. Organoleptic, physicochemical, microbiological, toxicological parameters of additives and their changes during storage were investigated. The sequence of technological operations is established and their modes are substantiated. Namely, the holding of NaCMC mixture and chelate at t = 18… 20 0C τ = (60… 90) × 60 s followed by drying at t = 100… 1100C. The expediency of emulsion-type sauces enrichment with the developed dietary supplements is substantiated. It is found that with partial replacement of egg powder with the iodine protein supplement at the stage of mixing in the amount of 1%, increases stability of the emulsions of sauces. The developed technologies are adapted to the conditions of the existing manufacturers of the restaurant industry and industry, which allowed to obtain certain economic and social effects. The technology of pasta enriched with essential mineral elements is developed and scientifically substantiated. It is established that the addition of dietary powder supplements based on chelate complexes in the amount of 1.0 and 2.0% by weight of flour leads to the improvement in cooking performance of pasta. Raise of the coefficient of mass increase by 9.5 and 19.0%, respectively, compared with control, the losses of dry substances that pass into the cooking medium reduce by 7.0 and 19.0%. In the case of increasing the dosage of dietary powder supplements due to chelate complexes to 4.0%, pasta more intensively absorb moisture in the process cooking. Because of the growth of the weight coefficient by 42.9% compared to the control, they begin to stick together and lose shape. The transition of solids to the cooking medium increases by 9.5%. With a dosage of more than 2.0%, the properties of the additive itself begin to prevail over the properties of gluten - high ability to swell and form viscous solution, which adversely affects cooking performance of the pasta. The technology of bakery products enriched with essential mineral compounds is developed and scientifically substantiated. It is established that, depending on the type of dough pieces, addition of the supplement changes rheological characteristics. The relative plasticity increases by 30.2… 45.7% compared to traditional products, which is improved due to the change in the ratio of free-bound water in the tested food systems. There is an increase in the amount of unfrozen water compared to the control within 12… 17 times depending on the type of dough pieces, which makes it possible to extend the shelf life of the developed products. The technology of coarse-type food is developed and scientifically substantiated. Patterns of the distribution of powdered dietary supplements in minced meat systems are experimentally determined. It is found that in the samples with geometric dimensions of 5 × 5 × 5 cm, the distribution of 8 equal parts of the Mn2+ distribution fluctuates within ± 25%, which satisfies the limits of work on the uniform distribution of minerals in food systems. NMR and EPR tomograms showed that in addition to the mechanical distribution of supplements in coarse-grained systems, the amount of aqueous component in this part of the system plays a large role. It is found that the amount of spin label in a certain volume correlates with the amount and time of water relaxation, which indicates dependence of the distribution of powdered dietary supplement on the formulation of coarse food systems. Medical-biological research of therapeutic and prophylactic use of mixed powdered dietary supplements, based on chelate complexes in linear rats is performed. With the use of 1.5 mg of the supplement under conditions of acute exposure of ionizing radiation at a dose of 7.0 Gy to the body, revealed radio-modifying properties of selenium and iodine compounds, which were realized in reducing the occurrence of clinical manifestations of GPC, increasing rates of 30-day survival rate, and improvement of hematological and biochemical parameters in acute irradiation at a dose of 7.0 Gy.