Наукове обґрунтування технологій холестеринознижуючої харчової продукції: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертаційна робота присвячена науковому обґрунтуванню та розробці технологій холестеринознижуючої харчової продукції. Запропановано наукову концепцію , яка полягає у системному підході щодо корекції дефіциту фітостеролів в раціоні харчування шляхом розробки технологій продуктів з арахісу, гречки та проса сортів поширених в Україні, які прецизійно використані за показниками хімічного складу (зокрема стероїдного комплексу) та безпечності, а також шляхом ферментативного гідролізу стероїдного комплексу сировини та фортифікації фізіологічно функціональними інгредієнтами, що дозволяє отримати екологічно чисту з підвищеною харчовою цінністю продукцію з холестеринознижуючими властивостями. На основі сформульованої наукової концепції вперше розроблено модель корекції дефіциту фітостеролів в раціоні харчування сучасної людини. Вперше доведено гідролітичну активність щодо γ-орізанолу ліпази Candida rugosa типу VII та ферментного препарату Pentopan BG 500. Конверсія гідролізу відноситься як до 4-дезметілстерилферулатів, так і до 4,4´ – диметілстерилферулатів. Найбільша гідролітична активність по відношенню до γ-орізанолу встановлена у Pentopan BG 500 та у порошку підшлункової залози бика. Ліпаза Candida antarctica типу A в обраних умовах не показала гідролітичної актівності до γ-оризанолу, а з ліпазою Candida antarctica типу B та Candida rugosa типу VII вихід продуктів гідролізу був дуже низьким. На модельних системах комплексно досліджено та визначено закономірності впливу на ферментативне розщеплення γ-орізанола параметрів проведення реакції, а саме: температури, концентрації таурохолату натрію, співвідношення компонентів (фермент/субстрат/буфер), часу інкубації, іммобілізації, механічних впливів (струшування і перемішування). Розроблено режим проведення гідролізу γ-орізанолу порошком підшлункової залози бика, а саме: концентрація таухрохолата натрія в буфері – 48 мМ, співвідношення компонентів системи - фермента: субстрата: буфера = 1:5:5, умови інкубації – температура 37 ºС протягом 24 годин при перемішуванні. З препаратом Pentopan BG 500 гідроліз γ-орізанола відрізняється тільки температурою інкубації, яка становить 45 ºС. За допомогою математичного моделювання розроблено математичні моделі ферментативного гідролізу γ-оризанолу, які дають можливість керувати процесом та забезпечити гарантований вихід продуктів конверсії. Комплексно досліджено хімічний склад і біологічну цінність арахісу 19 сортів, круп із гречки 6 сортів та проса 5 сортів, які поширені в Україні. В основі специфічності накопичення харчових речовин знаходяться генетично детерміновані відмінності виду, сорту. Уперше якісно та кількісно досліджено стероїдний комплекс арахісу, гречки і проса. Доведено, що дослідні зразки є джерелом фітостеролів, серед яких переважаючим є β ситостерин в арахісі і гречаній крупі та стигмастерин у пшоні. Також у їх складі ідентифіковано кампестерин, ∆5-авеностерин, ∆7-стигмастерин, ∆7-авеностерин. Сумарний вміст стероїдів змінюється в межах 172,7…604,6 мг/100г у арахісі, 22,78…52,19 мг/100 г у гречаній крупі та 37,77…83,76 мг/100 г у пшоні, що свідчить про значні розбіжності цього показника залежно від видової та сортової специфіки культур. Уперше також визначено вміст флавоноїдів у пшоні (1,07…2,21 мг/100г) Визначено біофортифіковані сорти арахісу, гречки та проса та надано рекомендації для більш прецизійного використання їх у харчовій промисловості. Підтверджено вибіркову здатність арахісу, гречки та проса до накопичення токсичних речовин. Вивчені сорти арахісу, гречки та проса (сорти, Вітрило та Слобожанське) більшою мірою накопичують оксалати. Арахіс має найбільший вміст цих речовин (139…252 мг/100г) та за рахунок високого оксалатного індексу (1,5…3,7) має анти поживні властивості. Доведено також, що вміст солей Міді в сортах арахісу Блідо-рожевий 2, АR 2 та AR4 перевищує рівень ГДК у 1,2…1,3 рази. Всі сорти арахісу потребують детоксикації. Розроблено технології отримання арахісових паст, арахісових олій та арахісу смаженого зі смакоароматичними добавками, які додатково включають операції зі зниження вмісту токсичних та антипоживних речовин, а саме проведення гідротермічної обробки арахісу при температурі 100 – 110 ºС (гідромодуль 1:3) протягом 30…40 хв з наступним обсмажуванням за температури 120 – 145 ºС протягом 30…35 хв. Ці операції забезпечують зниження вмісту щавлевої кислоти та її солей на 67,2… 76,0 %, а солей Міді – на 28,8 …38,0 %. Перетравність білка підвищується на 20 мг тирозину. За допомогою математичного моделювання розроблено рецептурний склад арахісових паст (молочної та шоколадної) та арахісу смаженого зі смакоароматичними добавками («Куркума та часник», «Паприка та червоний перець», Васабі та орегано»). За допомогою математичного моделювання було встановлено, що для створення купажованої олії з оптимізованим жирнокислотним складом необхідне таке співвідношення олій, мас. %: арахісова – 86, лляна – 14. Для стабілізації розробленого купажу додавали олійні екстракти листя шавлії або листя чорної смородини або часнику або плодів шипшини в кількості 5 % до маси купажу, що дає змогу підвищити його окисну стабільність у 1,2…1,7 разів. Науково обгруновано технології виробництва бездріжжового хліба з використанням продуктів переробки гречки та проса та ферментативного препарату Pentopan BG500. Показано, що гідролітичне розщеплення стероїдного комплексу гречки та пшона активно відбувається за режимами, які були відпрацьовані на модельних системах і рекомендовані до використання. Проведені пробні випікання та результати визначення показників якості нових видів хліба дозволили визначити оптимальне дозування гречаного борошна в кількості 30…40 % від загальної маси борошна та пшона, попередньо відвареного до напівготовності, у кількості 20…30 %. Під час комплексного дослідження визначено, що за органолептичними показниками, амінокислотним складом білку та жирнокислотним складом жиру, за вмістом біологічно активних речовин нові продукти більш збалансовані, ніж аналоги, доведено їх високу перетравність та відсутність антипоживних властивостей. За показниками хімічної та мікробіологічної безпечності нові продукти відповідають вимогам нормативної документації. Доведено високий вміст в них біологічноактивних форм фітостеролів: в арахісових пастах – 322,2…326,3 мг/100 г, в оліях – 201,8…221,3 мг/100 г, в снеках – 527,7…535,3 мг/100 г, в хлібі «Гречана сила» - 50,1 мг/100 г, в хлібі «Пшоняний» - 26,8 мг/100 г, що значно перевищує вміст цих речовин в продуктах-аналогах. Установлено умови та гарантійні терміни зберігання нових продуктів. Медико-біологічними дослідженнями підтверджено профілактичну ефективність розроблених продуктів. Доведено, що їх вживання не призводить до метаболічних порушень. Розроблено раціон харчування, як харчову систему зниження холестеринового тиску на організм людини, який можливо використовувати і в підприємствах харчування і вдома. Середня енергетична калорійність раціону становить 2373 Ккал, що забезпечено за рахунок білків на 17,3 %, жирів на 40 %, вуглеводів на 44,7 %. Показано, що розроблений раціон харчування в повній мірі задовольняє вимоги ФАО/ВООЗ та МОЗ України за вмістом незамінних амінокислот, за вмістом ПНЖК та МНЖК, за вмістом харчових волокон, за вмістом фітостеролів (827…940 мг). Доведено припущення, що за умов вживання раціону вміст «поганого» холестерину знижується на 5 %. Розроблено та затверджено в установленому порядку 5 комплектів нормативної документації на нові продукти. Реалізовано комплекс заходів щодо впровадження запропонованих технологій у закладах харчової промисловості України, а також освітній процес. Встановлено, що прибуток від реалізації продукції з холестеринознижуючими властивостями становитиме 2,6…20,5 тис. грн. на1 т готової продукції залежно від її виду. Економічний ефект від виробництва нової продукції, розрахований за обсягом надходжень до бюджету, визначено на рівні 7,3…69,5 тис. грн з кожної тони нової продукції залежно від її виду.

This dissertation is devoted to scientific justification and technology development of cholesterol-lowering food products. It proposes a scientific concept, which is a systematic approach to correct phytosterol deficiencies in the diet by developing processing technologies for products from peanuts, buckwheat and millet varieties common in Ukraine, which were especially used in terms of chemical composition (particularly steroid complex), safety properties, enzymatic hydrolysis of those steroid complex rich raw materials and fortification of physiologically functional ingredients, which makes it possible to obtain environmentally friendly products with improved nutritional value and cholesterol lowering properties. On the basis of the formulated scientific concept, a model for the correction of phytosterol deficiency in the diet of modern man has been developed for the first time. The hydrolytic activity of Candida rugosa lipase type VII and the enzyme preparation Pentopan BG500 to γ-orisanol has been proven for the first time. The hydrolysis conversion refers to both 4-desmethylsterylferulates and 4,4' - dimethylsterylferulates. The highest hydrolytic activity to γ-orisanol is observed with Pentopan BG 500 and bovine pancreatic powder. Lipase Candida antarctica type A showed no hydrolytic activity to γ-orisanol under selected conditions, and the yield of hydrolysis products with lipase Candida antarctica type B and Candida rugosa type VII was very low. The regularities of influence of reaction parameters, namely temperature, concentration of sodium taurocholate, enzyme/substrate/buffer ratio, incubation time, immobilization, mechanical influences (shaking and stirring) on γ-oryzanol enzymatic cleavage have been studied in complex model systems and determined. The optimal parameters for hydrolysis of γ-oryzanol with bovine pancreatic powder were developed. These are: sodium taurocholate concentration in buffer - 48 mM, system component ratio - enzyme: substrate: buffer = 1: 5: 5, incubation conditions - temperature 37 ° C for 24 h with stirring. With Pentopan BG 500 the hydrolysis of γ-orisanol differs only in the incubation temperature, which is 45 °C. Mathematical models for the enzymatic hydrolysis of γ-Orizanol have been developed by means of mathematical modelling which give the possibility to control the process and to ensure a guaranteed yield of hydrolysis products (phytosterols). The chemical composition and biological value of 19 varieties of peanuts, 6 varieties of buckwheat groats and 5 varieties of millet, which are common in Ukraine, were studied comprehensively. The specificity of accumulation of nutrients is based on genetically determined differences of species, varieties. For the first time the steroid complex of peanut, buckwheat and millet was studied qualitatively and quantitatively. It has been proven that the studied samples are a source of phytosterols, among which β-sitosterol in peanuts and buckwheat and stigmasterol in millet are predominant. Campesterol, ∆5-avenosterol, ∆7- stigmasterol, ∆7-avenosterol have also been identified in their composition. The total steroid content varies between 172.7 ... 604,6 mg/100g in peanuts, 22,78 ... 52.19 mg/100g in buckwheat and 37.77 ... 83,76 mg/100 g in millet, which indicates a considerable variation of steroid content depending on the species and variety specificity of the crops. For the first time, the flavonoid content of millet (1.07 ... 2.21 mg/100 g) was also determined. Biofortified varieties of peanuts, buckwheat and millet have been identified and recommendations especially for use in the food industry have been made. The selective ability of peanuts, buckwheat and millet to accumulate toxic substances has been confirmed. Peanut, buckwheat and millet varieties have been studied to be more likely to accumulate oxalates. The varieties Vitrilo and Slobozhanske accumulate oxalates to a greater extent. Peanuts have the highest content of these substances (139 ... 252 mg / 100g) and due to the high oxalate index (1.5 ... 3.7) have anti-nutritional properties. It was also proven that the content of copper salts in peanut varieties Blido-rozhevii 2, AR 2 and AR4 exceeds the maximum permissible concentration in 1.2 ... 1.3 times. Detoxification is required for all peanut varieties. The technologies for production of peanut paste, peanut butter and roasted peanuts with natural spices and herbs have been developed, which additionally include methods to reduce toxic and anti-nutritive substances in peanuts. These are: hydrothermal treatment of peanuts at 100-110°C (hydromodule 1: 3) for 30 ... 40 min followed by roasting at 120-145°C for 30 ... 35 min. These operations provide the reduction of oxalic acid and its salts by 67,2 ...76,0 %, and Copper salts - by 28,8 ... 38,0%. Protein digestibility is increased by 20 mg tyrosine. Mathematical modelling has been used to develop the formulation of peanut paste (milk and chocolate) and roasted peanuts with natural spices and herbs agents ("Curcuma and garlic", "Paprika and red pepper", Wasabi and oregano") and peanut butters blended with linseed oil. Mathematical modelling has shown that to create blended oils with optimised fatty acid composition it is necessary to have the following oil ratio, wt %: peanut oil - 86, linseed oil - 14. For stabilization of the developed blend oil, extracts of sage leaves or black currant leaves or garlic or rose hip fruits were added in quantity of 5 % to weight of blend, that allows to increase its oxidative stability in 1,2 ... 1, 7 times. The technology for yeast-free bread production using buckwheat and millet processing products and the enzymatic preparation Pentopan BG500 was scientifically substantiated. It was shown that the hydrolytic cleavage of the sterol complex of buckwheat and millet actively occurs according to the regimes which were worked out on model systems and recommended for use. Baking trials were carried out and high quality results were obtained, of which we could derive the optimum dosage of 30... 40 % of buckwheat flour of the total mass of flour and 20 ... 30% of pre-boiled millet for the new kinds of breads. During a comprehensive study, it was determined that the new products are more balanced than analogues in terms of organoleptic indicators, amino acid composition of protein and fatty acid composition of fat, the content of biologically active substances, particularly phytosterols, and their high digestibility and absence of anti-nutritional properties have been proved. In terms of chemical and microbiological safety, the new products meet the requirements of regulatory documentation. A high content of bioactive forms of phytosterols in them has been proven: in peanut paste - 322.2 ... 326.3 mg/100 g, in oils - 201.8 ... 221.3 mg/100 g, in snacks - 527.7 ... 535.3 mg/100 g, in the «Buckwheat Power» bread - 50.1 mg/100 g, in the «Millet» bread - 26.8 mg/100 g, which is considerably higher than the content of these substances in competing products. The conditions and warranty shelf life of the new products have been established. The prophylactic efficacy of the developed products has been confirmed by biomedical studies. It has been proven that their use does not lead to metabolic disorders. The developed diets, as a food system to reduce cholesterol pressure on the human body, can also be used in catering establishments and at home. The average caloric energy content of the diet is 2373,4 kcal, which is provided at the expense of (based on the) proteins by 17.3 %, fats by 40 %, carbohydrates by 44.7 %. It was shown that the developed diet fully complies with the requirements of FAO/WHO and Ministry of Health of Ukraine as to the content of essential amino acids, PUFAs and PUFAs, dietary fibres, phytosterols (827 ... 940 mg). The assumption has been proven that the "bad" cholesterol content is reduced by 5% under the conditions of the diet. Five sets of normative documentation for new products have been developed and approved. A set of measures for the implementation of the proposed technologies in the food industry institutions of Ukraine, as well as the educational process has been implemented. It has been established that profit from sales of products with cholesterol lowering properties will amount to 2.6 ... 20.5 thousand UAH per 1 ton of finished product depending on its type. The economic effect from the production of those new products, calculated by the amount of income to the budget, is determined on the level of 7,3 ... 69.5 thousand UAH for each ton of the new products, depending on their type.