Наукове обґрунтування і розроблення інноваційних технологій харчової продукції та дієтичних добавок: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертація присвячена розробленню інноваційних технологій харчової продукції та дієтичних добавок. На основі теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано та доведено наукову концепцію дослідження – збагачення рафінованих харчових продуктів біологічно активними речовинами рослинної сировини з метою підвищення їх поживної цінності і покращення органолептичних характеристик. Вперше: – науково обґрунтовано та доведено можливість використання рідковживаних пряно-ароматичних рослин: сортів і гібридів м’яти, вербени лимонної, базиліків, шавлії елегантної та цефалофори з метою розширення спектру сировини для харчової продукції і дієтичних добавок; – науково обґрунтовано і доведено можливість використання гіностемми п’ятилисточкової в якості замінника женьшеню європейського; – науково обґрунтовано технології одержання сухих порошків із соку інуліномісткої сировини, зокрема топінамбуру і лопуха, а також розроблено технологію одержання низькокалорійного природного підсолоджувача із коренебульб якону; – доведена взаємодія фруктанів з БАР рослинної сировини, що обумовлює їх використання в якості наповнювачів та згущувачів при виготовленні плодових, ягідних та овочевих порошків; – виявлено закономірності зміни споживчих характеристик сумішей солі, цукру і фруктанів з підвищеним вмістом біологічно активних речовин; – обґрунтовано процеси одержання біологічно активних цукрових сиропів, збагачених екстрактами пряно-ароматичних рослин і термолабільних речовин; – науково обґрунтовано закономірності перебігу процесів ферментації листя плодово-ягідних рослин з метою створення нових перспективних напоїв; – оптимізовані технологічні процеси виробництва кулінарної продукції з використанням дерафінованих інгредієнтів, що дає змогу зменшити кількість солі, цукру та жирів в рецептурах; дістали подальшого розвитку: – закономірності раціонального комбінування компонентів рослинної сировини і рафінованих продуктів з метою покращення біологічної цінності; – закономірності змін якісних властивостей харчової та кулінарної продукції від її модифікації функціональними інгредієнтами на основі рослинної сировини; – технології напоїв на основі пряно-ароматичних та лікарських рослин, а також ферментованого листя плодово-ягідних рослин. Аналізом та узагальненням даних науково-технічної літератури встановлена актуальність проблеми розширення асортименту продукції зі збереженням комплексу біологічно активних речовин традиційних харчових продуктів. Науково обґрунтована концепція цілеспрямованого регулювання властивостей харчової продукції шляхом використання розширеного асортименту лікарських та пряно-ароматичних рослин і функціональних інгредієнтів в якості компенсаційного доповнення до їжі. Для вирішення поставлених задач і з метою розширення асортименту рослинної сировини, що використовується для дерафінації і збагачення харчових продуктів, було відібрано рослини із групи пряно-ароматичних рослин, лікарських рослин і плодово-ягідної сировини. Ці рослини відносно недавно з’явилися на теренах України і стрімко здобувають популярність. В дослідженні приймали участь: колекція сортів і видів м’яти з екзотичними ароматами, вербена лимонна, шавлія елегантна, базиліки з лимонними, карамельним і ванільним ароматами, цефалофора, момордика харантія і гіностемма п’ятилисточкова, а також лохина, актинідія і хеномелес. Найбільш поширеною і популярною із всіх пряно-ароматичних рослин є м’ята. На даний час в виробництві харчової продукції використовується один, рідше 2-3 види м’яти: перцева, колосоподібна і польова. Однак останнім часом з’явилося багато сортів і гібридів з різноманітними ароматами, головним чином десертними. Проведене органолептичне оцінювання цих сортів засвідчило високі бальні характеристики (4 бали і вище) майже у всіх сортів, що прийняли участь в дослідженні. Найвищі показники (4,7 і вище) у м‘яти шоколадної, апельсинової, бананової, карамельної, «Цитаро», лимонної і грейпфрутової. Дослідження урожайності теж свідчить про досить високий потенціал цих м’ят. Хроматографічне дослідження вмісту ароматичних компонентів свідчить про те, що до складу не всіх видів м’ят входить ментол. Проведений також аналіз рослин на вміст флавоноїдів, каротинів і хлорофілів. Доведено перспективність використання шавлії елегантної, цефалофори, базиліків з лимонним, карамельним і ванільним ароматами, а також вербени лимонної при виготовленні харчової і кулінарної продукції. . При досліджені плодів момордики харантія великоплідних сортів і їх порівняли з дрібоплідним сортом «Дракоша» було встановлено, що великоплідні сорти мають приблизно такий же вміст вітаміну С, сапонінів і загальних фенолів, що і дрібноплідні. . Дослідження гіностемми п’ятилисточкової показало, що за хімічним складом ця рослина дуже схожа на женьшень, але росте у вигляді ліани і не потрібно чекати 5-7 років для її збору, причому при визначенні терміну заготівлі лікувальної сировини важливо орієнтуватися на наявність зеленої маси, а не на вміст в ній сапонінів та інших біологічно-активних компонентів. Науково обґрунтована доцільність і технологічна можливість підвищення якості та біологічної цінності харчової продукції за рахунок біологічно активних речовин плодів сортів актинидії (вміст каротину 0,17– 0,28 мг%, пектину 0,76–1,07 %, вітаміну С 98,4–180,2 мг%) лохини (вміст органічних кислот 0,99–1,82%, пектину 0,48–0,64%, флавоноїдів 674–982 мг/100 г) та хеномелісу (вміст органічних кислот 4,89–5,89%, вітаміну С 78,9–133,7 мг%, фенольних сполук 397–721 мг %). Серед сортів актінідії найбільш перспективною є Самоплідна (найвищий вміст цукру, дієтичних волокон, пектинів і каротинів), сортів лохини – сорт Нельсон, хеномелесу – Pink Lady і Nivalis. Розроблено і науково обґрунтовано технології одержання порошків на основі соків інуліномістких рослин, зокрема, соку топінамбура і лопуха, а також досліджено їх вплив на споживчі властивості харчової продукції. Вміст інуліну в таких порошках становить не менше 75% для топінамбуру і 85% для лопуха. Розроблено технологію одержання низькокалорійного природного підсолоджувача із коренебульб якону. В результаті теоретичних, експериментальних та промислових досліджень вперше розроблена технологія одержання солі з доданою цінністю, а саме зниженою кількістю натрію і підвищеною кількістю калію. Встановлена послідовність технологічних операцій і обґрунтовані їх режими, а саме: для досягнення гомогенності системи дотримувались принципу забезпечення дифузійних процесів в системі сировина–кристал солі і процесів адсорбування речовин соку рослини на поверхні кристалу без його розчинення. Завдяки запропонованим рецептурам співвідношення Na/K в розроблених солях із 1300:1 у звичайної солі вдалося знизити до 104:1, 90:1 і 35:1 відповідно. Доведено можливість збагачення білого цукру-піску за рахунок біологічно-активних речовин рослинної сировини. Встановлена послідовність технологічних операцій і обґрунтовані їх режими, а саме: після змішування подрібненої сировини і цукру отриману суміш витримують 5–10 хвилин при температурі 20–25° С і інтенсивному перемішуванні для закінчення процесів дифузії компонентів рослинної сировини в цукор. Важливою особливістю даного процесу є запобігання розчиненню кристалів цукру. Це забезпечує отримання однорідних, повністю забарвлених кристалів збагаченого цукру. Розроблено і науково обґрунтовано технологію одержання наповнювачів і згущувачів на основі низькомолекулярного інуліну і плодово ягідної сировини. Такі порошки можуть бути використані як природні барвники і ароматизатори продукції. Вміст низькомолекулярного інуліну в такій продукції 77–85%. Вперше науково обґрунтовано і доведено можливість одержання цукромісткого натурального, екологічно чистого продукту з властивостями меду, а також запропоноване наукове рішення одержання сиропу з збереженням термолабільних біологічно активних речовин за допомогою зневоднення клітин рослинної сировини цукром і наступного дифундування БАР в цукровий сироп. Науково доведено, що листя плодових і ягідних культур завдяки високому вмісту дубильних речовин у % від сухої маси (яблуні – 7,32–9,41, малини домашньої – 5,23–6,33, малини лісової – 6,01–6,47, актинідії – 2,98– 3,61, винограду – 4,3 – 7,6) повною мірою можуть слугувати сировиною для виготовлення напоїв, а процеси їх ферментування, а також зброджування за допомогою медузоміцетів сприяє покращенню їх органолептичних характеристик. Встановлено, що у західному регіоні вміст мінеральних елементів у раціоні відповідав або наближався до норм, що рекомендуються. У центральному і південному регіонах установлений дефіцит кальцію в чоловіків і жінок (17–40%), у жінок – магнію (4,5–11,0%), марганцю (12– 22%) і цинку (13%). Таким чином, доведено необхідність корекції раціону харчування за рахунок дієтичних добавок, збагачених харчових продуктів тощо. Запропоновано рекомендувати інулінові порошки як в регіонах з несприятливою екологічною ситуацією, забрудненою важкими металами і пестицидами, так і там, де встановлений дефіцит кальцію, магнію, заліза, цинку. Проведена оцінка маркетингового потенціалу одержання сухих соків топінамбуру і лопуха показала, що потенційний ринок України за мінімальним прогнозом складає 150 млн. грн в цінах 2021 року. Доведено економічну доцільність впровадження розробок збагаченої солі. Визначено, що додатковий прибуток, який отримає виробник, складатиме 5,7–11,7 тис. грн на одну тону реалізованої солі.

The dissertation is devoted to the development of innovative technologies of food products and dietary supplements. On the basis of theoretical and experimental studies, a scientific concept of research is formulated and proved to enrich refined foods by biologically active substances of plant material in order to increase their nutritional value and improving organoleptic characteristics. For the first time: - scientifically substantiated and proved the possibility of liquid spice aromatic plants using: varieties and hybrids of mint, verbenes of lemon, basilicas, elegant sage and cephalophores in order to expand the spectrum of raw materials for food products and dietary supplements; - scientifically substantiated and proved the possibility of using gynostems pentafillium as a substitute for European ginseng; - scientifically grounded technologies for obtaining dry powders from juice inulincontaining raw materials, in particular to topinambour and burdock, and also developed a technology for obtaining a low-calorie natural sweetener from rootbulb of yacon; - the interaction of fructans with the plant raw materials is proved that causes their use as fillers and thickeners in the manufacture of fruit, berry and vegetable powders; - the regularities of changing the consumer characteristics of salt, sugar and fructans with increased content of biologically active substances are revealed; - the processes of obtaining biologically active sugar syrups enriched with spice-aromatic plants and thermolabulant substances are substantiated; - scientifically substantiates the regularities of the process of leaves of fruit and berry plants fermentation in order to create new promising beverages; - optimized technological processes of culinary products production using plant ingredients, which makes it possible to reduce the amount of salt, sugar and fats in recipes; Subsequent development was found: - laws of rational combination of components of plant material and refined products in order to improve biological value; - the laws of changes in the qualitative properties of food and culinary products from its modification with functional ingredients based on plant material; - drinking technologies based on spicy aromatic and medicinal plants, as well as fermented leaves of fruit and berry plants. An analysis and generalization of scientific and technical literature data establishes the relevance of the problem of expanding the range of products with the preservation of a complex of biologically active substances of traditional food products. The scientifically substantiated concept of purposeful regulation of food properties by using an expanded assortment of medicinal and spicy-aromatic plants and functional ingredients as a compensatory addition to food. In order to solve the tasks and in order to expand the range of vegetable raw materials used for derafinations and food enrichment, plants from a group of spice aromatic plants, medicinal plants and fruit-berry raw materials were selected. These plants relatively recently appeared on the territory of Ukraine and are rapidly acquiring popularity. The study was attended by: a collection of varieties and types of mint with exotic flavors, verbena lemon, elegant, basilica with lemon, caramel and vanilla flavors, cephalophore, momorica charantia and gynostemma pentaillum, as well as blueberry, actinidia and henomeles. The most common and popular out of all spicy aromatic plants is mint. Currently, only 2-3 types of mint: pepper, colossom and field are used in the production of food products. However, recently there were many varieties and hybrids with a variety of flavors, mainly dessert. The organoleptic evaluation of these varieties showed high ball characteristics (4 points and above) in almost all varieties that took part in the study. The highest rates (4.7 and above) in chocolate, orange, banana, caramel, quotation, lemon and grapefruit mint. The research of yield also indicates a fairly high potential of these mint. The chromatographic study of the contents of aromatic components indicates that menthol includes not all types of mint. The analysis of plants on the content of flavonoids, carotins and chlorophiles is also carried out. Prospects for the use of elegant sage, cephalophore, basilicas with lemon, caramel and vanilla aromas, as well as lemon verbs in the manufacture of food and culinary products have been proved. . In the investigated of the Momordika with large fruits varieties and they were compared with a sort "Dracosha" which as small fruits. It has been found that large-fruit varieties have approximately the same content of vitamin C, saponins and general phenols as small fruits varieties. . The study of gynostemma pentafillium showed that this plant is very similar to ginseng, but it grows in the form of a liane and do not need to wait for 5- 7 years for its collection. So, for determining the period of preparation of medical raw materials, it is important to navigate the presence of a green mass, and not on the content of saponins and other biologically active components. Scientifically substantiated expediency and technological possibility of improving the quality and biological value of food products at the expense of biologically active substances of fruit varieties (carotene content of 0.17-0.28 mg%, pectin 0.76-1.07%, vitamin C 98.4- 180.2 mg%) of blueberries (organic acid content of 0.99-1.82%, pectin 0.48-0.64%, flavonoids 674-982 mg / 100 g) and henomelis (organic acid content 4.89 - 5,89%, vitamin C 78.9-133.7 mg%, phenolic compounds 397-721 mg%). Among the varieties of actinidia, the most promising is Self-beam (the highest content of sugar, dietary fibers, pectins and carotins), varieties of blueberries - a grade of Nelson, chenomeles - Pink Lady and Nivalis. The technologies of obtaining powders based on juices of inulinymous plants are developed and scientifically grounded, in particular, the juice of topinambur and burdock, and also investigated their influence on consumer properties of food products. The content of inulin in such powders is not less than 75% for topinambur and 85% for burdock. The technology of obtaining a low-calorie natural sweetener from the rootbulb of yacon is developed. As a result of theoretical, experimental and industrial studies, the technology of obtaining salt with value added was developed for the first time, namely the reduced amount of sodium and increased potassium. The sequence of technological operations is established and substantiated by their regimes, namely: to achieve the homogeneity of the system adhered to the principle of providing diffusion processes in the system of raw materials-crystal salt and processes of adsorption of substances of plant juice on the surface of the crystal without dissolution. Due to the proposed formulations of the Na / K ratio in the developed salts of 1300: 1 in the usual salt managed to decrease to 104: 1, 90: 1 and 35: 1, respectively. The possibility of enriching white sand sugar due to biologically active substances of plant material. The sequence of technological operations is established and substantiated by their modes, namely: after mixing of crushed raw materials and sugar, the resulting mixture is maintained 5-10 minutes at a temperature of 20-25 ° C and intensive stirring for the completion of the diffusion processes of plant material in sugar. An important feature of this process is to prevent the dissolution of sugar crystals. This provides homogeneous, fully colored sugar crystals. The technology of obtaining fillers and thickeners based on low molecular weight inulin and fruit-berry raw materials is developed and scientifically substantiated. Such powders can be used as natural dyes and flavoring products. The content of low molecular weight inulin in such products is 77-85%. For the first time, it is scientifically substantiated and proved the possibility of obtaining sugar-containing natural, environmentally friendly product with honey properties, as well as a scientific decision of obtaining syrup with the preservation of thermolab biologically active substances by dehydration of vegetable raw materials with sugar and subsequent diffusion bar in sugar syrup. Scientifically proved that leaves of fruit and berry crops due to the high content of tannins in% of dry mass (apple - 7.32-9.41, raspberry homemade - 5,23- 6,33, raspberry forest - 6,01-6, 47, actinidia - 2,98-3,61, grapes - 4,3 - 7,6) can fully serve as a raw material for the manufacture of beverages, and the processes of their enzymes, as well as fermentation with the help of medusomycetes contributes to improving their organoleptic characteristics. It is established that in the Western region, the content of mineral elements in the diet corresponded or approached the norms recommended. In the central and southern regions, a deficit of calcium in men and women (17-40%) is established, in women magnesium (4.5-11.0%), manganese (12-22%) and zinc (13%). Thus, it is proved the need to correct the diet at the expense of dietary supplements, enriched foods, etc. It is proposed to recommend an inulinic powders as in regions with an unfavorable ecological situation contaminated with heavy metals and pesticides, and where a deficiency of calcium, magnesium, iron, zinc is installed. The assessment of the marketing potential of obtaining dry juices of topinambur and burdock showed that the potential market of Ukraine at a minimum forecast is 150 million UAH in the prices of 2021. The economic expediency of introduction of developments of enriched salt is proved. It is determined that the additional profit that will receive the manufacturer will be 5.7-11.7 thousand UAH per tone of salt salt.