автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.10, диссертация на тему: Разработка биотехнологии натуральных пищевых красителей из растительного сырья
Автореферат диссертации по теме "Разработка биотехнологии натуральных пищевых красителей из растительного сырья"
На правах рукописи
РЫЖОВА НАТАЛЬЯ ВАЛЕНТИНОВНА
РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ НАТУРАЛЬНЫХ ПИЩЕВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Специальность 05.18.10 - Технология чая, табака и биологически активных
веществ и субтропических культур
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре «Биотехнология» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский Государственный Университет пищевых производств»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Иванова Людмила Афанасьевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Римарева Любовь Вячеславовна кандидат биологических наук, доцент Шаненко Елена Феликсовна
Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью «Биофлора»
Защита состоится: «22» июня 2006 г. в 10-00 час. в ауд. 3-101 на заседании диссертационного совета Д 212.148.04 при ГОУ ВПО «Московский Государственный Университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, ул. Панфилова, д. 18, корп. 3, к. 101.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУ1Ш Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, МГУПП, ученому секретарю диссертационного совета Д212.148.04.
Автореферат разослан « ^ » мая_2006 г.
диссертационного совета, д.т.н., проф.
А, С 2— Общая характеристика работы
Актуальность темы. На сегодняшний день во всем мире испытывается потребность в высококачественных, безопасных для человека красителях, что обусловлено значительной индустриализацией сферы общественного питания, совершенствованием технологических процессов в пищевой промышленности, и особенно производства продуктов детского и диетического питания, а также изменением вкусов потребителей.
Выработка натуральных красителей ограничена как в масштабах, так и в ассортименте, и потребность в них до настоящего времени покрывается частично за счет синтетических красителей. Поэтому разработка новых технологий производства натуральных красителей и совершенствование существующих являются главными направлениями исследований в этой области.
При производстве пищевых продуктов предъявляются жесткие требования ко всем пищевым добавкам и, в том числе, к пищевым красителям.
Одним из важных требований, предъявляемых к новьм видам натуральных красителей, является отсутствие отрицательного влияния на пищевую ценность изделий, сохранение окраски на протяжении сроков годности, установленных нормативными документами. Поэтому основной задачей специалистов, работающих в области исследования и производства пищевых красителей, является разработка новых торговых препаратов красителей с повышенной световой и температурной устойчивостью.
В настоящее время в Европе активно пропагандируются антоцианы, поскольку они обладают множеством полезных свойств: препятствуют образованию тромбов, снижают уровень холестерина, повышают эластичность сосудов, благоприятно влияют на зрение, способствуют профилактике онкологических заболеваний.
Повышается интерес и к каротиноидным красителям. Желтые и оранжевые каротиноиды, в частности бета-каротин, являются антиоксидантами. В организме человека бета-каротин способен трансформироваться в витамин А, который оказывает стимулирующее действие на иммунную систему, благотворно влияет на зрение, помогает бороться с болезнями сердца и замедлить процесс старения.
Лечебные свойства хлорофилла человек успешно использует с давних пор. Свежеотжатым хлорофиллсодержащим соком из зелёных пищевых растений лечат заболевания крови и многие другие болезни.
Существующие в настоящее время технологии извлечения красителей из тигельного сырья, базирующиеся на водной и спиртовой эк<
С.-Петербург ОЭ 200бакт ЧЬО
меньшей мере, двумя недостатками: неполным извлечением пигментов из сырья и низкой стабильностью полученных препаратов.
Поэтому научно-обоснованное совершенствование существующих технологий натуральных пищевых красителей, позволяющее увеличить их выход из сырья, улучшить их органолептические показатели, стойкость, расширить ассортимент, актуально и перспективно.
Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состояла в разработке биотехнологии натуральных пищевых красителей из растительного сырья и отходов переработки фруктов и овощей на основе ферментативного катализа и экспериментальном обосновании целесообразности использования полученных биотехнологическим способом красителей в кондитерской промышленности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение биохимического состава растительного сырья - отходов переработки фруктов и овощей;
- определение эффективного способа предварительной (механической и ферментативной) обработки сырья;
- подбор оптимальных условий экстракции красящих веществ растительных клеток, таких как бетанин, антоцианы, каротиноиды, хлорофиллы, с сохранением их цвета;
- подбор стабилизаторов, обеспечивающих максимальное сохранение окраски под воздействием высоких температур и света;
- исследование влияние стимулятора полифенольной природы Гипоксена на активность применяемых ферментных препаратов в процессе предобработки, а также его использования в качестве стабилизатора красителей;
- определение биологической ценности полученных красителей, проверка их качественных показателей, в том числе микробиологической стабильности;
- исследование возможности применения полученных красителей в кондитерской отрасли пищевой промышленности.
Научная новизна работы. На основании анализа экспериментальных данных разработаны основы биотехнологии натуральных пищевых красителей из растительного сырья и отходов его переработки. Для разработки основ биотехнологии натуральных пищевых красителей было произведено следующее:
- впервые подобраны оптимальные условия предварительной комплексной механико-ферментативной обработки растительного сырья на основании исследования биохимического состава растительного сырья, а именно, отходов переработки свеклы, черноплодной рябины, цитрусовых и крапивы;
- впервые исследовано влияние стимулятора полифенольной природы Гипоксена на увеличение активности ферментных препаратов, гидролизуюших некрахмапь-ные полисахариды клетки, и на стабильность получаемых красителей, определены параметры его внесения в процессе экстракции;
- подтверждена биологическая ценность полученных красителей на основе анализа их биохимического состава;
- проведена санитарно-гигиеническая оценка полученных красителей, показавшая их безвредность.
Впервые полученные зависимости качественных показателей натуральных красителей от условий физико-химических воздействий на сырье позволили дать обоснование новой технологии их получения и рекомендации по их использованию в пищевой промышленности.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Проведенные исследования явились основой для решения задачи по созданию биотехнологии натуральных пищевых красителей из растительного сырья и отходов его переработки за счет использования отечественных ферментных препаратов и их комплексов.
В результате введения в технологию Гипоксена для увеличения активности ферментных препаратов и повышения стабильности красящих веществ разработан способ экстракции и стабилизации, позволяющий увеличить выход пигментов из растительных клеток в 2-2,5 раза и повысить стабильность красителей на 15-19%.
Разработанная технология стабильных красителей существенно упрощена по сравнению с существующей за счет исключения стадии химической модификации натуральных пигментов.
Разработана и экспериментально обоснована технология получения из растительного сырья концентрированных пищевых красителей с органолептическими характеристиками, отвечающими требованиям нормативно-технической документации. Доказана их безвредность на основании биохимических и микробиологических исследований. В условиях кафедры «Технология кондитерского производства» МГУГГП проведена апробация способа приготовления желейного мармелада и са-
харной помадки с добавлением полученных концентратов красителей, улучшающих внешний вид изделий и повышающих их биологическую ценность
Разработан проект технических условий получения красителя натурального пищевого и проект технологической инструкции по получению красителя натурального пищевого. Подана заявка на выдачу патента РФ на способ получения натурального пищевого красителя из растительного сырья и отходов переработки растительного сырья и натуральный пищевой краситель, полученный по этому способу (№2005138928 от 15.12.05).
Разработанная биотехнология натуральных пищевых красителей из растительного сырья и отходов его переработки излагается в дисциплине «Технология комбинированных пищевых систем, аналогов и лечебно-профилактических продуктов на основе биоконверсии растительного сырья» учебного плана специальности 271500 «Пищевая биотехнология».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, подана 1 заявка на выдачу патента РФ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах: Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации (Москва, 2004 и 2005); Научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания» (Москва, 2004); на Втором и Третьем международных симпозиумах «Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК» (Москва, 2004 и 2006); Пятой ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ (Москва, 2005); Шестой Международной специализированной конференции «Безопасность и управление рисками в фармацевтических и биотехнологических отраслях» (Москва, 2006); Научно-практическом семинаре с международным участием «Сырье и ингредиенты для кондитерских изделий. Инновации» (Москва, 2006).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, библиографического списка, включающего 212 источников, из них 52 иностранных источника, и 8 приложений. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, включает 47 таблиц и 16 рисунков.
1. Обзор литературы
В литературном обзоре рассмотрено общее состояние проблемы дефицита натуральных пищевых красителей на российском и мировом рынках. Приведены классификации красящих веществ по происхождению и химическому составу, основные источники их получения, дана характеристика основных компонентов растительного сырья, являющегося источником природных пигментов. Представлены методы выделения красящих веществ из растительных субстратов, подробно проанализированы существующие технологические решения. Рассмотрены ферментные препараты, катализирующие разложение главных полисахаридов растительного сырья, а также современные способы стабилизации выделенных пигментов. Сделан обзор существующих способов применения натуральных красителей в пищевой промышленности, в частности в кондитерской отрасли. Рассмотрены требования, предъявляемым к пищевым красителям с точки зрения безвредности для человека и технологичности.
Анализ литературных данных выявил проблемы, существующие в данной области, и позволил сформулировать цель и задачи данного исследования.
2. Экспериментальная часть 2.1. Материалы и методы исследований
Сырьем для проведения исследований были выбраны отходы переработки свеклы, выжимки черноплодной рябины и крапива из Московской области, кожура цитрусовых, выращенных в Абхазии. Подготовка сырья заключалась в его мойке, сушке при температуре 40-50°С с конвекцией и измельчении до размера частиц 2-5 мм. Биохимические исследования растительного сырья проводили согласно методам, принятым для анализа растительной биомассы [ГОСТ 26188-84, ГОСТ 8756.179, ГОСТ 29270-95, Оболенская и др., 1991; Тырсин Ю.А. и др, 1993].
В работе использовали отечественные ферментные препараты Целловиридин, Поликанесцин, Лизофунгин, Пектофоетидин, активность которых проверяли по методикам, принятым для определения целлюлазной (по КМЦ), гемицеллюлазной, протеолитической и пектиназной активностей [Полыгалина Г.В. и др, 2003]. Характеристика ферментативных активностей препаратов представлена в табл. 1.
Антиоксидант - Гипоксен был предоставлен для исследования ЗАО «ЛЭНС-ФАРМ». Оптимизацию параметров экстракции красящих веществ проводили мето-
дом аддитивно-решетчатого математического описания объекта [Бирюков В.В., Кан-тере В.М., 1985].
Таблица 1. Характеристика активностей ферментных препаратов, использованных в проведенных исследованиях
Лизофунгин Поликанесцин Целловиридин Пектофоетидин
Ферменты Активность, ед/г Ферменты Активность, ед/г Ферменты Активность, ед/г Ферменты Активность, ед/г
Р- Глюканаза 1800 Р- Галактози-даза 1300 Р-Глюканаза 450 Пектиназа 420
Р" Глюкози-даза 1,0 Ксиланаза 1100 Р- Глюкозидаза Следы Пектинэ-стераза 150
Целлюлаза 90,0 Р-Глюканаза 416,0 Целлюлаза 2000 Экзополи-галактуро-наза 2300
Маннаназа Следы Кислые про-теазы (рН 5,5) 40,0 Маннаназа Протеаза 17
Ксиланаза 40,5 Нейтральные протеа-зы 0,0 Ксиланаза 800
Протеиназа 152,5 Полигалак-туроназа 4,3 Протеиназа —
рНопт 6,5-7,0 рНопт 3,0-5,0 рНошг 4,5-5,5 рН опт 4,5-5,5
Юпт,°С 45-55 Г опт, °С 30-45 г опт, "С 45-50 1 опт, °С 45-50
В работе использовали этиловый спирт [ГОСТ Р 51652-2000], пищевые кислоты: аскорбиновую [ФС 42-2668-95], лимонную [ГОСТ 908-2004], янтарную [ГОСТ 6341-75], широко применяемые в пищевой промышленности в качестве регуляторов кислотности и антиоксидантов.
Полученные натуральные красители оценивались по органолептическим показателям [ОСТ 10-093-96, ГОСТ 8756.1-79], качественные показатели - кислотность, содержание нитратов в соответствии с ГОСТ 26188-84, ГОСТ 29270-95. Содержание витаминов определяли по ГОСТ 7047-55, ГОСТ 24556-89 и ГОСТ 8756.22-80, содержание свинца - по ГОСТ 30178-96, мышьяка - по ГОСТ 26930-86, кадмия - по ГОСТ 30178-96, ртути - по ГОСТ 26927-86. Микробиологический контроль исходного сырья и полученных натуральных пищевых красителей проводили общепринятыми методами [СанПиН 2.3.2.1078-01, ГОСТ 26930-86].
Кондитерские изделия, полученные с использованием разработанных красителей оценивались органолептически [ГОСТ 4570-93, ГОСТ 6442-89].
Статистическую обработку экспериментальных данных, полученных не менее, чем в 3-х повторностях, проводили по программе Excel 2003 Microsoft Office.
2.2. Результаты исследований и их обсуждение 2.2.1. Анализ биохимического состава растительного сырья
Выбранное для работы сырье имеет в своем составе достаточное количество красящих веществ и традиционно используется для получения натуральных пищевых красителей [Кацерикова Н.В., Солопова А.Н., 2003]. Степень извлечения красящих веществ из растительного сырья зависит от многих факторов, в том числе от его биохимического состава. Состав использованного в работе сырья представлен табл. 2.
Таблица 2. Биохимический состав сырья, использованного для экстракции красящих
Наименование сырья I Влажность, % Белок, % PB, % Липиды, % Фенольные вещества, % Целлюлоза, % Гемицеллюлозы, % Пектин, % I Лигнин, % Зола, % 1 1
Отходы переработки свеклы 13,5 7,4 16,5 0,8 0,17 14,0 46,2 0,4 8,5 0,9
Выжимки черноплодной рябины 13,8 3,4 10,1 0,55 0,45 18,1 45,2 0,5 10,5 0,9
Отходы переработки апельсинов 14,2 4,4 12,7 0,7 0,2 14,7 36,2 1,4 8,1 0,8
Крапива 16,0 7,7 7,0 1,2 0,09 16,0 47,9 0,8 5Д 0,7
Из табл. 2 следует, что в состав всех видов проанализированного сырья входит значительное количество гемицеллюлозы - от 36,2% в цедре апельсинов до 47,9% в крапиве и целлюлозы - от 14,0 % в составе отходов переработки свеклы до 18,1% в выжимках черноплодной рябины. Разрушение этих веществ, составляющих основу клеточных стенок растений, позволит увеличить выход красящих веществ, что следует из литературных данных по строению клеток растений [Бриттон Г., 1986].
2.2.2. Ферментативная предобработка сырья
В последние годы появились данные различных исследователей о возможности увеличения выхода красителей из природного сырья с помощью ферментатив-
ной обработки [Кислухина О.В., 2002; Бутова С.Н., 2004]. Поэтому целью настоящих исследований было совершенствование обработки растительного сырья, содержащего красящие вещества различной химической структуры, с помощью отечественных ферментных препаратов, разрушающих главные некрахмальные полисахариды растений. Исследования начинались с выбора ферментного препарата и его оптимальной концентрации, позволяющей получить максимальный выход красящих веществ из каждого вида используемого сырья. Температуру и pH реакционной среды поддерживали в соответствии с рекомендациями производителей ферментных препаратов. Время ферментативной предобработки - 30 минут. Концентрация ферментных препаратов варьировалась от 0,001 до 0,1 % от массы сырья. Гидромодуль (отношение жидкой фракции к твердой) - 10:1 в пересчете на АСВ сырья. Интенсивность окраски экстракта определяли по значениям экстинции, получаемым спек-трофотометрическим методом для свекольного (бетанин) и черноплодного красителя (антоцианы) при длине волны 540 нм, для каротиноидов из отходов переработки апельсинов - 440 нм и хлорофилла крапивы - 750 нм. В качестве контроля принимали значения экстинции водных экстрактов из соответствующих видов сырья, полученных без использования биокатализаторов. Полученные результаты представлены в табл. 3.
Из данных табл. 3 следует, что для отходов переработки свеклы, выжимок черноплодной рябины и цедры апельсинов целесообразно использование Целловиридина в концентрации 0,1%. Экстракция пигментов в этом случае увеличивается соответственно до 160%, 149% и 240%. Для обработки крапивы целесообразно применение Лизофунгина (0,1%), увеличивающего выход красящих веществ на 175%.
Использованные ферментные препараты являлись комплексными, однако не обладали одновременно целлюлазными и пектиназными ферментами. Поэтому была изучена возможность обработки растительного сырья композитами из Целловиридина (для отходов переработки свеклы, выжимок черноплодной рябины и цедры апельсинов) или Лизофунгина (для крапивы) с Пектофоетидином.
Композиты ферментных препаратов готовили в различных соотношениях: 1:1, 2:1,1:2,1:3,3:1 и использовали в концентрациях 0,1% и 0,01% от массы сырья (табл. 4). Параметры ведения процесса экстракции были аналогичны параметрам предыдущего эксперимента. В качестве контроля в этих исследованиях использовали водные экстракты из тех же видов сырья, но полученные с применением только одного ферментного препарата (Целловиридина, Лизофунгина или Пекто-
Таблица 3. Влияние ферментативного катализа на выход красящих веществ из различных видов сырья при экстракции
Сырье Интенсивность окраски экстрактов, Е
Вода Раствор Лизофунгина Раствор Поликанесцина Раствор Целловиридина Раствор Пектофоетидина
0,1% 0,01% 0,001% 0,1% 0,01% 0,001% 0,1% 0,01% 0,001% 0,1% 0,01% 0,001%
Отходы переработки свеклы, Б 540 0,18 0,24 0,22 0,19 0,25 0,24 0,21 0,29 0,26 0,22 0,24 0,21 0,20
Выжимки черноплодной рябины, Е 540 0,20 0,26 0,24 0,23 0,24 0,21 0,20 0,30 0,26 0,24 0,27 0,24 0,22
Отходы переработки апельсинов, Е 440 0,13 0,16 0,15 0,13 0,20 0,18 0,14 0,31 0,26 0,17 0,29 0,25 0,21
Крапива, Е 750 0,26 0,46 0,40 0,32 0,37 0,34 0,27 0,31 0,30 0,28 0,34 0,31 0,27
Таблица 4. Влияние композитов ферментных препаратов, используемых для обработки растительного сырья, на выход крася-
щих веществ из этого сырья
Интенсивность окраски экстрактов, Е
Наименование сырья 03 1 Раствор Целловиридина (Лизофунгина1) с Пектофоетидином в различных соотношениях
3 о ё. * Раствор Пектофоеп на, конц 0,1% 1:1 2:1 1:2 3:1 1:3
Раствор Целлови] (Лизофунгина1) 0,1% 0,1% 0,01% 0,1% 0,01% 0,1% 0,01% 1 ЧО О4 О 0,01% 0,1% 0,01%
Отходы переработки свеклы, Е 540 0,29 0,24 0,27 0,22 0,31 0,22 0,26 0,20 034 0,26 0,30 0,26
Выжимки черноплодной рябины, Е 540 0,30 0,27 0,28 0,24 0,33 0,23 0,28 0,21 0,36 0,28 0,30 0,25
Отходы переработки апельсинов, Е 440 031 0,29 0,30 0,27 0,34 0,23 0,27 0,22 0^9 0,29 0,32 0,26
Крапива, Е 750 0,46 0,34 0,41 0,33 0,48 0,26 0,32 0,24 0,49 0,36 0,30 0,30
1 Для обработки крапивы
фоетидина). Сравнение экстинций экстрактов из отходов переработки свеклы показало, что использование для катализа композита Целловиридина с Пектофоетидином в соотношении 3 : 1 позволяет увеличить выход красящих веществ на 17% по сравнению с обработкой только Целловиридином и на 41% по сравнению с обработкой Пектофоетидином. Аналогичные результаты были получены для других видов сырья.
При обработке композитами выжимок черноплодной рябины увеличение выхода красящих веществ составило 20 % и 33 %, при обработке отходов переработки апельсинов - 26 % и 34 %, крапивы - 7 % и 44% соответственно к выходу красящих веществ при обработке только Целловиридином (Лизофунгином - в случае крапивы) или Пектофоетидином. Таким образом, целесообразно использовать композиты Целловиридин - Пектофоетидин в соотношении 3 : 1 и концентрации 0,1% от массы сырья дня обработки отходов переработки свеклы, выжимок черноплодной рябины и цедры цитрусовых. Для обработки крапивы следует применять композит Лизофун-гин - Пектофоетидин в соотношении 3 : 1 и концентрации 0,1% от массы сырья. Далее были проверены рекомендации производителей по параметрам ведения гидролиза. В табл. 5 представлены результаты исследования оптимальных параметров фер-ментолиза композитами ФП.
Таблица 5. Параметры процесса обработки растительного сырья композитом
Целлови] ридин (Лизофунгин - для крапивы) - Пектофоетидин
Наименование сырья Параметры
Температура, °С рН реакционной среды Длительность обработки, мин Гидромодуль раствор композита : сырье (по АСВ сырья)
Отходы переработки свеклы 45 4,5 40 10:1
Выжимки черноплодной рябины 45 4,5 40 10:1
Отходы переработки апельсинов 45 4,5 40 10: 1
Крапива 50 5,0 40 10:1
2.2.3. Изучение влияния Гипоксена на активность композитов ФП
Известно, что активаторами ферментов могут быть ионы металлов, комплексные органические и металлорганические соединения, комплексные металлорганиче-ские структуры, витамины группы В [Грачева И.М., Кривова А.Ю., 2000]. К числу
таких комплексных органических соединений относится препарат Гипоксен, имеющий полифенольную структуру. В ранее проводимых исследованиях на кафедре «Биотехнология» МГУ 1111 Гипоксен показал себя как активатор действия амилолитических ферментов. В связи с этим представляло интерес изучить влияние Гипоксена на активность композитов ФП, используемых в работе (Целловиридин (Лизофунгин) : Пектофоетидин = 3:1).
Растворы ферментных препаратов готовили в соответствии с методиками определения активности (см. п. 2.1.), при этом в опытные пробы композитов вносили различные концентрации Гипоксена. Полученные данные по влиянию Гипоксена на активности композитов ФП сведены в табл. 6.
Таблица 6. Влияние Гипоксена на активности композитов ФП
Измеряемая активность Концентрация Гипоксена, %
0 (контроль) 0,0001 0,0005 0,001 0,005
Композит Целловиридин - Пектофоетидин Целлюлазная 1500,0 1575,1 1725 1747,5 1747,5
Ксиланазная 600,0 630,2 690,1 698,4 698,5
р-Глюканазная 338,1 354,9 409,3 410,0 410,0
Композит Лизофунгин - Пектофоетидин Целлюлазная 67,5 71,2 77,9 79,0 79,0
Ксиланазная 30,4 32,2 35,2 35,4 35,4
Р-Глюканазная 1350,0 1417,5 1593 1595,2 1595,2
Пектиназная 105,2 110,3 120,8 122,2 122,2
Пектинэстеразная 37,5 39,3 43,4 43,7 43,7
Экзополигалактуроназная 575,4 603,8 661,3 669,3 669,3
Результаты свидетельствуют об эффективности совместного использования Гипоксена и ферментных препаратов. Так, целлюлазная активность композита Цел-ловиридина с Пектофоетидином повышается на 15,0% при концентрации Гипоксена 0,0005% и на 16,5% (при концентрации 0,001% и выше), ксиланазная, аналогично, на 16,0-16,1%, Р-глюканазная - на 21,1-21,3%. Ферментативные активности композита Лизофунгин-Пектофоетидин также увеличились на 15-18,2%. Пектиназная, пекти-нэстеразная и экзополигалактуроназная активности в обоих композитах повышались на 15-16%.
2.2.4. Ультразвуковая предобработка сырья
Существуют различные способы предобработки растительных субстратов: механические, физические, химические и биологические.
На стадии подготовки сырья нами использовалось механическое измельчение до размеров частиц 2-2,5мм. Однако такие размеры частиц растительной ткани не позволяют максимально эффективно использовать ферментные препараты. В этой ситуации представлялось интересным изучить возможность использования ультразвуковой обработки для разрушения клеточных стенок растительного сырья.
Водную суспензию частиц сырья (ГМ 10 : 1 по АСВ сырья) облучали в течение 1-10 мин при интенсивности ультразвука 0,3 Вт/см2 в ультразвуковой установке УЗМ-001. В качестве контроля использовали водные экстракты сырья без обработки ультразвуком. По окончании обработки анализ интенсивности окраски экстрактов проводили аналогично предыдущим исследованиям. Полученные результаты представлены на рис. 1.
1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0 ■
Время обработки, мин Контроль —■— Опыт
2 3 5 7 10 Время обработки, мин — Контроль —Опыт В
2 3 5 7 10 Время обработки, мин ■ Контроль —•- Опыт
1 2 3 5 7 10 Время обработки, шн - Контроль -•- Опыт Г
Рис. 1 Влияние УЗ-обработки на выход красящих веществ из различных видов растительного сырья в водный экстракт: а - отходы переработки свеклы, б - выжимки черноплодной рябины,
в - цедра апельсинов, г - крапива
Из рисунка 1 следует, что ультразвуковая обработка в значительной мере увеличивает выход красящих веществ в экстракт. Так, например, обработка ультразвуком отходов переработки свеклы в течение 7 мин позволяет увеличить интенсивность окраски экстрактов по сравнению с обработкой в течение 1 мин на 168 % и на 358% по сравнению с контролем. При аналогичных условиях, для выжимок черноплодной рябины увеличение экстр активности составило 180 % и 273 %, для цедры апельсинов - 151 % и 420 %, для крапивы - 82 % и 211 % соответственно. При дальнейшем увеличении времени обработки ультразвуком экстрактивность красящих веществ стабилизируется, поэтому именно семиминутная обработка сырья использовалась в дальнейших исследованиях.
2.2.5. Подбор и оптимизация параметров экстракции красящих веществ из растительного сырья
Параметры экстракции оказывают серьезное влияние на эффективность технологического процесса, и, как следствие, на его экономическую целесообразность. Широко распространены в настоящее время так называемые «традиционные» методы экстракции (например, холодное или горячее прессование; водно-паровая, водно-спиртовая или масляная экстракции, а также извлечение БАВ с помощью различных органических растворителей) [Рамазанова JI.A. и др, 2003] и новые методы, например сверхкритическая экстракция (СК-экстракция) БАВ с помощью диоксида углерода (или SFE-technology по международной номенклатуре) [Лепешков А.Г. и др, 2002].
Подбор оптимальных параметров экстракции красящих веществ заключался в определении концентрации экстрагента (этанола), гидромодуля, времени экстракции, температуры и рН. Оптимизацию параметров экстракции водными растворами этанола проводили с помощью метода аддитивно-решетчатого описания объекта. Оптимизация заключалась в выборе уровней каждого фактора, обеспечивающих наибольший эффект. Полученные в результате реализации этого метода параметры экстракции красящих веществ из растительного сырья представлены в табл. 7.
Таблица 7. Оптимальные параметры экстракции красящих веществ из расти-
тельного сырья водным раствором этанола
Концентрация Темпера- рН ГМ Длитель-
этанола, % тура, °С ность, мин
Отходы переработки 40 50 4,5-5,0 1 :1 60
Выжимки черноплодной рябины 40 50 4,5-5,0 1 :1 60
Отходы переработки апельсинов 40 50 4,5-8,5 1:1 60
Крапива 70 50 6,0-6,5 1 :1 60
2.2.6. Стабилизация экстрактов красящих веществ, определение устойчивости к воздействию света и тепла
В настоящее время почти все пищевые предприятия применяют пищевые красители, т.к. на отдельных стадиях технологического процесса используются кипячение, упаривание, стерилизация, а продукты под воздействием высоких температур могут изменять свою первоначальную окраску, поскольку происходит изменение структуры каротиноидов, хлорофиллов, антоцианов [Цыганова Т.Б., 2002]. Многие красящие вещества разлагаются под действием света. Поэтому для использования природных пигментов в качестве красителей, необходимо подобрать стабилизаторы, обеспечивающие устойчивость окраски под воздействием прямого солнечного света и температур.
Экстракты красящих веществ, полученных путем комплексной физико-ферментативной обработки растительного сырья и последующей экстракции 40% (70% - для крапивы) этанолом содержали Гипоксен (0,0005% от массы исходного сырья) - мощный антиоксидант, способствующий стабилизации красящих веществ. Кроме того, во время экстракции в реакционной среде с помощью кислот, разрешенных для использования в пищевой промышленности - аскорбиновой, лимонной и янтарной - создавалось значение рН, соответствующее оптимальному. Также в качестве стабилизаторов цветности исследовали ЫаНСОз и М§0, которые вносили по окончании экстракции в количестве 0,01-1% от массы сухих веществ экстракта.
Полученные экстракты красящих веществ экспонировали в помещении с хорошим естественным и искусственным освещением в течение 3 месяцев, проверяя устойчивость к свету, и нагревали до 80 и 100°С, проверяя устойчивость к высоким температурам (табл. 8).
Экстракты, полученные с использованием Гипоксена, показали высокую све-то- и термоустойчивость. В зависимости от используемой кислоты на стадии экстракции красящих веществ раствором этанола светоустойчивость (СУ) варьировала в пределах 89-98%, термостабильность (ТС) менялась в диапазоне 93-99% и 89-99%
соответственно при нагревании до 80 и 100°С. Максимальную устойчивость (СУ до 98%, ТС - до 99%) показали экстракты, полученные с использованием аскорбиновой кислоты. Следует отметить, что натуральные немодифицированные красители, получаемые в настоящий момент в промышленности обладают устойчивостью к свету не более 80%, к высокой (80°С) температуре - не более 85%.
Таблица 8. Свето- и термостойчивость водно-спиртовых экстрактов красящих
веществ из различных видов растительного сырья
Наименование сырья Светоустойчивость, % Термоустойчивость,%
безГип сГип" безГип с Гип" без Гип с Гип"
Отходы переработки свеклы 76 -83 90-94 79-83 94-99 76-80 93-97
Выжимки черноплодной рябины 70-93 94-98 80-93 95-99 80-93 94-99
Отходы переработки апельсинов 68-77 94-98 84-94 95-99 81-90 94-99
Крапива 65-76 89-94 85-93 93-96 83-91 89-94
2.2.7. Концентрирование полученных экстрактов красящих веществ из растительного сырья
Полученные водно-спиртовые экстракты красящих веществ содержали около 6-7 % красящих веществ. Использование таких экстрактов непосредственно для окрашивания кондитерских масс малоэффективно. Кроме того, в промышленных масштабах возникают проблемы с хранением и транспортировкой таких экстрактов. Поэтому проводилось концентрирование полученных экстрактов на вакуум-выпарной установке при температуре 78°С до содержания СВ 60-65%.
2.2.8. Физико-химический и микробиологический анализ натуральных пищевых красителей. Органолептическая оценка
При производстве пищевых продуктов к пищевым добавкам, в том числе пищевым красителям, предъявляются жесткие требования, изложенные в нормативной документации [ОСТ 10-093-96, ГОСТ 8756.1-79, ГОСТ 26188-84, ГОСТ 29270-95, СанПиН 2.3.2.1078-01, ГОСТ 26930-86, ГОСТ 30178-96, ГОСТ 30178-96, ГОСТ 26927-86]. Качественные показатели полученных концентратов приведены в табли-цах9,10 и 11.
Полученные результаты свидетельствуют о соответствии полученных концентратов требованиям нормативно-технической документации.
* Концентрация Гипоксена 0,0005% от массы сырья
Таблица 9. Физико-химические и микробиологические показатели полученных кон_______центратов красителей___________
Показатели Красители по видам использованного сырья
отходы переработки свеклы выжимки черноплодной рябины цедра цитрусовых крапива по ГОСТ
Относительная плотность при 20 °С 1,85 1,65 1,68 1,50 не менее 1,3
Содержание сухих веществ, % 60 65 65 60 не менее 40
Содержание красящих веществ, г/дм3 39,5 54,1 32,8 34,7 не менее 30
рн 4,0 4,5 4,5 6,5 не менее 3,5
растворимость в воде полная полная полная полная полная
содержание солей тяжелых металлов, мг на 1 кг красителя: свинца мышьяка кадмия ртути 0,004 0,005 0,001 0 0,003 0,004 0,001 0 0,003 0,002 0,001 0 0,003 0,002 0,001 0 0,300 0,200 0,030 0,005
содержание нитратов, мг/см3 2,2-10"ш 1,8-10"|и 2,0Т0'1и 1,7-10"ш 0,2* Ю3
содержание нитритов, мг/ см3 0,1M0"Z 0,13-10^ 0Д510"2 0,13-Ю"2 0,1
КМАФАнМ, КОЕ/г нет нет нет нет 5*Ю4
БГКП, КОЕ/г нет нет нет нет не допускаются
Дрожжи и плесени, КОЕ/г нет нет нет нет не более 100
Таблица 10. Некоторые БАВ концентратов красителей
Показатели Красители по видам использованного сырья
отходы пере- выжимки чер- цедра цитру- крапива
работки свек- ноплодной ря- совых
Белок, % 1,7 1,3 1,4 1,8
РВ,% 43,4 47,3 43,8 41,8
Фенольные ве- 3,2 4,1 1,2 0,7
Витамин С, 14,0 16,0 23,2 18,7
Р-каротин, 6,4 2,4 27,2 7,6
Витамин РР, 0,5 0,7 0,9 1,4
Содержание в концентратах значительного количества витамина С, а также (>-
каротина и витамина РР свидетельствует о том, что использование полученных концентратов в качестве красителей позволит обогатить бедные витаминами кондитерские изделия и тем самым повысить их биологическую ценность.
Таблица 11. Органолептическая оценка концентратов красителей
Показатели Красители по видам использованного сырья
Отходы переработки свеклы Выжимки черноплодной рябины Цедра цитрусовых Крапива
Внешний вид Густая сиропообразная жидкость Густая сиропообразная жидкость Густая сиропообразная жидкость Густая сиропообразная жидкость
Цвет Темно-красный Темно-красный Желто-коричневый Темно-зеленый
Вкус Характерный, слабокислый Характерный, слабокислый, слегка вяжущий Характерный слабокислый Характерный слабогорький
Запах Специфический, свойственный свекле Специфический, свойственный черноплодной рябине Специфический, свойственный цитрусовым Специфический, свойственный крапиве
Результаты органолептической оценки полученных концентратов позволяют
сделать вывод о соответствии их ОСТ 10-093-96.
2.2.9. Технологическая схема получения натуральных пищевых красителей
На основании проведенных исследований была разработана типовая блок-схема биотехнологического процесса получения натуральных пищевых красителей из различных видов растительного сырья (рис. 2).
Выжимки черноплодной рябины.
Прием и хранение растительного сырья
Цепловиридин ВР Прием и хранение
Пекгофоетидин 1.2 ферментных препаратов
ВР 1 Прием и хранение сырья, КТП1.1..ВРЗ,
хим реактивов и материалов ВР 4, ВР 5, Пг£
Гипоксен ВР Прием и хранение
Аскорбиновая ВР Прием и хранение
кислота 1.4 аскорбиновой кислоты
Этанол, 96% ВР Прием и хранение
Каустическая сода ВР Прием и хранение
1.6 каустической соды
Упаковочные ВР Прием и хранение
бутылки 1.7 материалов
отВР 1, ВР Приготовление раствора ВР 2 Подготовка и мойка К ОБО 1
вода 2.1 каустической соды оборудования
Выжимки черноплодной ВРЗ 1 юдготовка растительного сырья: измельчение до КТП 1
рябины от ВР 1 Целловирндин от ВР 1, Пекгофоетидин от ВР1 КТП 1
ВР 4 Приготовление раствора композита ФП с Гипоксеном
Гипоксен от ВР 1, вода
Этанол от ВР 1, Приготовление раствора К ТП 5
вода 40%-ного этанола
Выжимки черноплодной рябины от ВР 3, вода
Подготовка ультразвуковой установки
ультразвуком, I = 0,3 Вт/см2, т = 7 мин
Обработка сырья композитом ФП с Гипоксеноч, I = 45 °С, т = 40 мин, рН4,5,Ш 1,5:1
Пар ТП 4 Инактивация ферментных препаратов, 1 = 100 °С, т = 2-5 мин К ОБО
Рис.2. Блок-схема биотехнологического процесса получения красителя натурального пищевого из выжимок черноплодной рябины (начало)
Готовый продукт на склад
Рис. 2. Блок-схема биотехнологического процесса получения красителя натурального пищевого из выжимок черноплодной рябины (продолжение) 2.2.10. Применение красителей в кондитерской промышленности Окраска кондитерских изделий привлекает внимание потребителей и влияет на спрос и объем продаж. Поэтому при выработке каждого вида изделий, особенно сахаристых, продукту стремятся придать яркую равномерную окраску. В зависимости от вида изделия предъявляют индивидуальные требования к красителю, учитывая традиционные органолептические показатели изделия и принятую в промышленности технологию его производства [Базарнова Ю.Г., 2004].
В лабораторных условиях кафедры «Технология кондитерского производства» МГУПП была проведена апробация полученных красителей при производстве сахарной помадки и желейного мармелада по традиционным технологиям. Количество красителей, добавляемых в кондитерскую массу по рецептуре помадки составляет 0,036 г/100 г готовых изделий, по рецептуре мармелада - 0,050 г/100 г готовых изделий. Полученные изделия обладали приятным цветом, который возможно менять по желанию производителя от бледного до насыщенного. Более того, применяемые красители не требуют изменения технологического процесса, не оказывают негативного влияния на форму, структуру и консистенцию данных кондитерских изделий, не влияют на вкус и аромат продукции.
Показа- Оценка, баллы
тель каче- Макси- Используемые красители
ства мальная свекольный черноплодно- цитрусовый |фапивный
Вкуси 12 12 прият- 12 приятные, 12 приятные, 12 приятные,
аромат ные, со- соответст- соответст- соответст-
ответст- вующие вующие вующие
вующие приме- применяе- применяе-
приме- няемым мым аро- мым аро-
няемым аромати- матизато- матизато-
аромати- заторам рам рам
Структура 9 9 студне- 9 студнеоб- 9 студнеоб- 9 студнеоб-
и конси- образная, разная, разная, разная,
стенция плотная, плотная, плотная, плотная,
прозрач- прозрач- прозрачная прозрачная
Цвети 6 6 от розо- 6 от розово- 6 от бледно- 6 от бледно-
внешний вого до го до на- желтого до зеленого до
вид насы- сыщенно- насыщен- насыщен-
щенного го красно- ного жел- ного зеле-
красного, го, равно- того, рав- ного, рав-
равно- мерный номерный номерный
Форма 3 3 Форма 3 Форма 3 Форма пра- 3 Форма пра-
правиль- правиль- вильная с вильная с
ная с ная с чет- четким четким
четким ким кон- контуром контуром
Суммар- 30 30 30 30 30
Полученные красители были награждены почетной грамотой на Третьей Юбилейной Международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в 2005 году, а также рекомендованы к использованию в производстве на выездном расширенном заседании кафедры «Технология кондитерского производства» с участием всех ведущих производителей кондитерских изделий.
1. На основании исследования биохимического состава сырья предложено введение в типовую схему получения пищевых красителей биокатализа под действием гидролитических ферментных препаратов, позволяющих увеличить
выход красящих веществ на 149-240% и определены параметры этого процесса.
2. Установлено положительное влияние УЗ-обработки растительного сырья, позволяющей увеличить выход пигментов в экстракт на 211 - 420%.
3. На основании выявленных зависимостей максимального выхода красящих веществ из растительного сырья от условий его обработки разработана новая биотехнология натуральных пищевых красителей, включающей следующие стадии: УЗ-обработка растительного сырья, последующий ферментолиз некрахмальных полисахаридов клеточных стенок растительного сырья отечественными ферментными препаратами гидролитического действия с внесением антиоксиданта Гипоксена для увеличения активностей ферментных препаратов и придания термо- и светостабильности полученным экстрактам, инактивацию ферментных препаратов кипячением, экстракцию красящих веществ водными растворами этанола, отделение экстракта от твердой фазы и концентрирование до содержания сухих веществ 60-65%.
4. Исследована биологическая ценность полученных красителей. Проведен физико-химический, микробиологический и органолептический анализ полученных натуральных красителей, показавший их соответствие требованиям нормативно-технической документации.
5. Разработана технологическая схема производства натуральных пищевых красителей в виде концентратов с содержанием СВ 60-65%, а также предложено ее аппаратурное оформление.
6. Получены новые пищевые красители:
- свекольный, содержащий красящих веществ (КВ) в концентрате 39,5 г/дм3; СУ-94%, ТС-97-99%;
- черноплодно-рябиновый, содержащий КВ в концентрате 54,1 г/дм3, СУ -98%, ТС-99%;
- цитрусовый, содержащий КВ в концентрате 32,8 г/дм3, СУ - 98%, ТС -99%;
- крапивный, содержащий КВ в концентрате 34,7 г/дм3, СУ - 94%, ТС -64-96%.
7. Полученные красители испытаны при производстве кондитерских изделий -конфет «Киевская помадка» и мармелада желейного формового. Органолеп-тическая оценка этих кондитерских изделий показала равномерность окраски,
от розового до насыщенного красного - при использовании свекольного и черногатодно-рябинового красителей, от бледно-желтого до насыщенного желтого - при использовании цитрусового красителя, от бледно-зеленого до насыщенного зеленого - при использовании крапивного красителя.
8. При использовании полученных красителей технологии производства сахарной помадки и желейного мармелада остаются неизменными. Краситель вводится на стадии охлаждения сиропа при температуре 75-80°С.
9. Проведенный расчет экономической эффективности разработанной технологии натуральных пищевых красителей и применения их в кондитерской промышленности показал незначительное удорожание продукции по сравнению с выпускаемой в настоящий момент при сохранении высокого качества и повышении безопасности полученных кондитерских изделий.
4. Список работ, опубликованных по геме диссертации
1. Н.В. Рыжова, JI.A. Иванова, О.В. Кузнецова Интенсификация способов выделения натуральных пищевых красителей из растительного сырья//Сб. докл. Всероссийской научно-технической конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации».ч.2, М.: МГУПП, 2004, стр.131-135.
2. Н.В. Рыжова, JI.A. Иванова, О.В. Кузнецова Получение натуральных пищевых красителей//В сб. материалов Научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания», Москва, ВВЦ, 2-5 июня 2004г Раздел: функциональные пищевые ингредиенты и продукты (технологии получения и применения) Технологии и продукты здорового питания, ч.2, М.: МГУПП, 2004, с. 240-245.
3. Н.В. Рыжова, JI.A. Иванова, О.В. Кузнецова Применение ферментативного катализа в технологии пищевых красителей из растительного сырья // В кн. Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК под ред. В.А. Полякова. М.: Пище-промиздат, 2004, стр. 145-150.
4. Н.В. Рыжова. Возможность использования УЗ-обработки для интенсификации выделения натуральных пигментов // В сб.: Ш юбилейной международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации».ч.2, М.: МГУПП, 2005, стр. 11-14.
5. H.B. Рыжова, Л.А. Иванова Выделение натуральных пищевых красителей из свеклы и черноплодной рябины // В сб. трудов V ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ, -М., 2005, стр. 328-331
6. Н.В Рыжова Сырье и способ его переработки - основа качества натуральных красителей// Сб. докл. Шестой Международной специализированной конференции «Безопасность и управление рисками в фармацевтических и биотехнологических отраслях», М. - 2006, с. 46-47.
7. Н.В. Рыжова, Л.А. Иванова, E.H. Мураенко. Использование ферментативного катализа в технологии натуральных пищевых красителей // В сб. статей Третьего международного симпозиума «Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК» М. ВНИИПБТ, 2006, стр. 246-250
8. Рыжова Н.В., Иванова Л.А., Бутова С.Н. Способ получения натурального пищевого красителя из растительного сырья и отходов переработки растительного сырья и натуральный пищевой краситель, полученный по этому способу. Заявка на патент РФ № 2005138928 от 15.12.05.
9. Рыжова Н.В., Скобельская З.Г., Вайншенкер Т.С., Иванова Л.А. Новые натуральные пищевые красители//Кондитерское производство, 2006, - №3, - с. 2-3.
10. Н.В. Рыжова, Л.А. Иванова, E.H. Мураенко. Совершенствование способов экстракции красящих веществ из растительного сырья// Хранение и переработка сельхозсырья, 2006, - № 5.
5. Список использованных сокращений АСВ - абсолютно сухое вещество, БАВ - биологически активное(-ые) веще-ство(-а), Гип - Гипоксен; ГМ - гидромодуль; ГМЦ - гемицеллюлозы; КВ - красящие вещества, КМЦ - Na-соль карбоксиметилцеллюлозы; РВ - редуцирующие вещества; СВ - сухие вещества, СУ - светоустойчивость, ТС - термостабильность, УЗ - ультразвук, ФП - ферментный (-ные) препарат (-ы).
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору Л.А. Ивановой за помощь в выполнении работы, а также родителям, друзьям и коллегам за помощь и поддержку.