Создание белково-углеводно-жировых эмульсий нового типа Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

СОЗДАНИЕ БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНО-ЖИРОВЫХ ЭМУЛЬСИЙ нового типа

Б. А. Баженова, канд. техн. наук, Т. Ф. Чиркина, докт. техн. наук, С. В. Брюхова, Т. А. Мелихова, канд.техн. наук ФБГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Л ля регулирования состава и улучшения качества мясопро- УДК 665.22:532.625 дуктов в настоящее время в мясной отрасли разрабаты- Ключевые слова: ваются высокоэффективные мероприятия, направленные на максимальное использование белковых и функциональных добавок животного и растительного происхождения [1,2,3].

белково-углеводно-жирова эмульсия,растительное сы рецептура, полисахариды, хранение, перекисное числ

Консистенция мясопродуктов, наряду с внешним видом, цветом и вкусом, является важным показателем качества готового изделия. Создание прочной стабилизационной системы мясных продуктов возможно при комплексном использовании эмульгаторов, стабилизаторов, гелеобразова-телей. Компонентами с высокой гелеобразующей способностью являются добавки, содержащие высокомолекулярные углеводы.

Традиционными углеводными добавками, применяемыми в мясной промышленности, являются крахмал и мука. Среди большого ассортимента пищевых углеводных добавок, применяемых в настоящее время в качестве структу-рообразователей, перспективными являются каррагинан (Е407), альгиновая кислота (Е400) и ее соли (Е401-Е404).

Чтобы эффективно выполнять функции эмульгатора и стабилизатора углеводы должны быть хорошо гидратирова-ны просто с водой или в составе белково-жировых эмульсий (БЖЭ). Однако, сведений по созданию эмульсий с углеводами ограничено, обнаружены, например, работы по включению каррагинана в состав БЖЭ.

Альтернативу перечисленным углеводным компонентам, которые выполняют чисто технологическую гелеобра-зующую роль, может составить полисахаридсодержащее растительное сырье, богатое биологически активными веществами. Изучение химического состава и свойств таких растительных источников биологически активных веществ, создание технологий пищевых продуктов с их использованием в составе сложных эмульсий является одним из перспективных направлений современного развития производства продуктов питания.

В связи с этим целью работы является создание бел-ково-углеводно-жировых эмульсий (БУЖЭ) нового типа с растительным сырьем. Задачами исследований служили: создание жировой смеси из животного конского и ячьего жиров и растительных масел, выбор видов растительного сырья для их использования в эмульсиях сложного состава, а также изучение синергетического эффекта компонентов эмульсий на их функционально-технологические свойства.

рье,

Материалы и методы

Для создания белково-углеводно-жировых эмульсий нового состава были проведены исследования по созданию жировой смеси из конского и ячьего жиров для рационального использования сырья, обоснованию выбора растительного сырья, разработке рецептуры БУЖЭ. В работе объектами исследований служили: животные жиры, белково-углеводно-жировые эмульсии разных вариантов. В жирах исследовали состав липидов, в БУЖЭ - стабильность эмульсий при их изготовлении, степень эмульгирования (или дисперсность) и вязкость готовых эмульсий, а также значение перекисного числа при их хранении.

Жирнокислотный состав триглицеридов жировой ткани определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе LC-10Avp (Шимадзу, Япония). Вязкость белково-углеводно-жировых эмульсий - на вискозиметре Брукфильда DV-II.

Стабильность эмульсии, которая показывает уровень стабилизации водо-жировой системы при ее переработке, определяли по методу Carpenter Z.A. Для этого образцы эмульсий по 10-30 мл наливали в градуированные пробирки, термостатировали при температуре 90 0С в течение 15 мин, охлаждали. Затем центрифугировали со скоростью 3600 об/ мин и определяли значение стабильности (S) по формуле: S = Pi100%, P

где Р1 - объем фазы эмульсионного слоя, отделившегося после испытания, мл; Р - общий объем эмульсии, мл; S - стабильность эмульсии, %.

Для выявления степени эмульгирования жирового компонента использовали метод дисперсионного анализа эмульсий путем микроскопирования. Отбирали 1-2 капли, помещали на предметное стекло, накрывали покровным стеклом и анализировали путем непосредственного измерения отдельных капель под микроскопом Биомед-5 (10х45), в окуляр которого вставлена микрометрическая сетка. Измеряли размеры всех капель в поле зрения, рассчитывали среднюю арифметическую и строили диаграмму.

Об окислительном процессе судят по пероксидному числу жира, который определяли методом, основанным на окислении йодистоводородной кислоты перекисями, содержащимися в жире, с последующим оттитровыванием выделившегося йода тиосульфатом натрия [4].

Результаты и обсуждение

Свойства белково-жировых эмульсий определяются характером взаимодействия и структурной совместимостью основных компонентов: белков, жиров, углеводов. Эмульгаторами жира могут служить белки растительного и животного происхождения в виде белковых препаратов: соевый белковый изолят, казеинат натрия, обладающие высокими эмульгирующими и влагосвязывающими свойствами.

В качестве жирового компонента нами предложены конский и ячий жир с целью рационального использования продуктов убоя сельскохозяйственных животных. Для повышения биологической эффективности суммарного жира нами предлагается купажирование топленых жиров яка и лошади с подсолнечным и соевым маслами. При разработке купажированной смеси учитывали жирнокис-лотный состав (табл. 1) компонентов, при этом исходили из рекомендуемого соотношения ы-6:ы-3 полинен-сыщенных жирных кислот (ПНЖК) как 10:1 в продуктах массового питания [5].

Таблица 1. Содержание ПНЖК групп Ы 6 и Ы 3 в жировых компонентах

Данные таблицы 1 показывают, что по этому соотношению животные и растительные жиры несбалансированы. Для получения купажированных смесей из животного жира и двух или одного вида растительного масла с учетом необходимого соотношения ы-6:ы-3 ПНЖК использовали метод линейного программирования. В результате расчетов получены рецептуры жировых смесей ячьего и конского жира с растительными маслами (табл. 2).

Таблица 2. Рецептуры жировых смесей

Полученные смеси имеют соотношение ы-6:ы-3 ПНЖК равное 10:1 и необходимые физико-химические свойства (температура застывания, вязкость и органолептические показатели).

Далее провели исследования по выбору растительного сырья. Альтернативу углеводным пищевым добавкам может составить полисахаридсодержащее растительное сырье, богатое не только резистентными полисахаридами, но и другими биологически активными веществами. Поиск бифункционального растительного сырья проведен среди гидробионтов, сельскохозяйственных культур и дикорастущих растений, которое, кроме гелеобразую-щей функции, будет иметь в своем составе биологически активные вещества. В результате анализа полученной информации для дальнейших исследований выбрано следующее полисахаридсодержащее сырье: из гидробионтов - водоросли Ламинария Ангустата, из сельскохозяйственных культур - пророщенная пшеница, из дикорастущих - цетрария исландская Cetraria Islandica (L.) Ach. (табл. 3).

Таблица 3. Выбор растительного сырья

Показатели Растительное сырье

бурые водоросли Ламинария Ангустата проросшие зерна пшеницы слоевища ягеля Cetraria Islandica

Содержание углеводов, % на с.в. 83,0-85,8 76,0-78,1 79,0-81,1

Полисахариды клетчатка, альгинаты, фукоидан, ламинаран крахмал, клетчатка, пентозаны, гемицеллюлоза лихенин, растворимые пектиновые вещества

Основные биологически активные вещества йод, селен, железо, цинк, кремний, витамины селен, фосфор, калий, магний; витамины Е и гр. В минеральные вещества, витамины

Форма использования в БУЖЭ гель «Ламфарэн» селенированная мука отвар Cetraria Islandica

Ламинария Ангустата - это эндемические бурые морские водоросли, произрастающие только в Охотском море. При обработке ламинарии Ангустата получен пищевой гель «Ламифарэн» (СПК «Простор», г. Хабаровск) с максимальным содержанием свободного альгината кальция и натрия, микро- и макроэлементов в доступной для организма биоорганической форме [6].

В составе ламифарэна находится 4,6% углеводов, что составляет почти 86% на сухое вещество. Основные полимерные углеводы ламифарэна - альгинаты (гете-рогликаны, полимеры маннуроновой кислоты и

1^4а-а-гулуроновой кислоты), клетчатка (или целлюлоза - гомогликан), фукоидан (сульфатированный гетеро-полисахарид, состоящий из 1^3 и 1^4-а-связанных остатков фукозы) и ламинаран (водорастворимый полисахарид 1^3;1^6-|3^-глюкан).

Жирные Ячий Конский Подсолнечное Соевое

кислоты жир жир масло* масло*

ПНЖК ш-6 7,3 5,9 59,8 50,9

ПНЖК ш-3 4,2 12,0 0 10,3

*литературные данные

Компоненты Количество, %

Жировая смесь I Жировая смесь II

Жир яка топленый 30,2 -

Жир конский топленый - 34,2

Подсолнечное масло 41,0 65,8

Соевое масло 27,9 -

Применение ламифарэна в рецептуре мясопродуктов наиболее эффективно в составе БУЖЭ, так как альгинаты обладают еще и высокими эмульгирующими свойствами, что важно для формирования функционально-технологических свойств БЖЭ. Гелевая консистенция ламифарэна обеспечит устойчивость эмульсии.

Бурые водоросли способны кумулировать йод и селен в органической форме из окружающей водной среды. Содержание йода в ламифарэне составляет 101 мкг %, селена 80 мкг %.

Следующим растительным компонентом БУЖЭ нами предложена пшеничная мука из пророщенной пшеницы. Белки и углеводы пшеничной муки, составляющие соответственно 12,8% и 78,1%, как известно, имеют не только высокие пищевые характеристики, но и положительно влияют на функционально-технологические свойства фаршевых систем в связи со способностью набухать в воде с образованием вязких коллоидных растворов. При проращивании зерен пшеницы несколько увеличивается содержание углеводов и белков в муке, к тому же она приобретает в своем составе эффективно и легко усваиваемые организмом соединения (аминокислоты, простейшие сахара, жирные кислоты).

Нами предположено, что если при проращивании зерна вместо воды использовать раствор селенита натрия, то оно, подобно водорослям, будет извлекать и кумули-ровать микроэлемент селен. В результате проведенных исследований установлена оптимальная концентрация раствора селенита натрия (0,04%), разработаны этапы и параметры технологии получения селенированной муки (замачивание, проращивание, сушка) [7]. Концентрация селена в муке составила 6,8 мг %, для обеспечения профилактической дозы селена в готовом продукте в БУЖЭ вводили смесь селенированной муки и обычной пшеничной муки первого сорта в соотношении 1:9. Введение смеси селенированной и пшеничной муки в состав БУЖЭ будет способствовать формированию её функционально-технологических свойств, предварительному эмульгированию жирового компонента и обогащению БУЖЭ селеном. Предварительное перемешивание компонентов БУЖЭ с селенированной мукой способствует равномерному распределению селена.

Еще одним растительным компонентом БУЖЭ нами предложена Cetraria Islandica (L.) Ach. Анализ литературных данных показал, что в медицинской практике для лечения различных заболеваний часто используют водные извлечения, содержащие слоевища ягеля Cetraria Islandica (L.) Ach., характеризующиеся наличием биологически активных веществ широкого спектра действия, в том числе полисахаридов. Нами разработаны регламенты приготовления отвара цетрарии исландской для введения в состав БУЖЭ [8]. Выявлено, что необходимо предварительное удаление из цетра-рии исландской цетраровой кислоты, придающей экстракту горечь. Для удаления горечи ягель предвари-

тельно выдерживали в 1% растворе карбоната натрия в течение 120 мин с последующей варкой при температуре 95 0С в течение 60 мин для максимального извлечения основного полисахарида цетрарии - лихенина, содержание которого в отваре составило 2,8%. Выявлено высокое суммарное содержание антиоксидантов в отваре цетрарии (64,8 мг/г).

Высокое содержание полисахаридов в ламифарэне, селенированной муке и цетрарии исландской, водные растворы которых образуют устойчивые гели, дает возможность их использования в составе БУЖЭ в производстве мясопродуктов. В целях оптимизации рецептур БУЖЭ использовали метод моделирования с линейным программированием (Microsoft Excel 2010) [9]. Для этого были разработаны математические модели, исходными данными для которых служили содержание белка, жира, влаги, углеводов и их соотношения, которые определяют функциональные свойства БУЖЭ.

Выбор белоксодержащих компонентов осуществляли с учетом функционально-технологических свойств углеводных компонентов. В состав БУЖЭ с ламифарэ-ном, который содержит большое количество углеводов, в том числе альгинатов с высокими гелеобразующими и эмульгирующими свойствами, вводили в качестве белковой составляющей лишь казеинат натрия. В БУЖЭ с селенированной мукой вводили только соевый белковый изолят, так как в селенированной муке содержание белка составляет 12,8%. В БУЖЭ с отваром цетрарии вводили казеинат натрия и соевый белковый изолят, обладающие синергетическим эффектом, а также в качестве дополнительного полисахаридсодержащего компонента введен каррагинан.

Известно, что оптимальное развитие влаго- и жиро-связывания имеют эмульсии с соотношением: белок:-жир:влага 1:5:5 [1]. В связи с этим критериями оптимальности являлись основные функциональные свойства БУЖЭ - водоудерживающая способность (ВУС), значение коэффициентов белок:жир и белок:влага.

При решении математических моделей получены оптимальные варианты рецептур БУЖЭ с компонентами из растительного сырья (табл. 4), которые удовлетворяют критериям оптимальности, поставленным в задаче.

Технологическая инструкция по составлению БЖЭ, применяемых в колбасном производстве предусматривает смешивание компонентов в куттере в течение 12-15 минут. Для предлагаемых нами вариантов БУЖЭ был исследован показатель стабильности в зависимости от продолжительности гомогенизации (рис. 1). Анализ данных показал, что наличие в БУЖЭ полисахаридов, обладающих высокими эмульгирующими и гелеобразующими свойствами ускоряет процесс формирования стабильной системы, в которой диспергировано максимальное количество дисперсной фазы. Полисахариды создают адсорбционный слой гелеобразной структуры, который препятствует слиянию жировых капелек.

Таблица 4. Рецептуры белково-углеводно-жировых эмульсий

Наименование компонентов Содержание, кг на 100 кг БУЖЭ

БЖЭ (контроль) БУЖЭ 1 (с отваром цетрарии) БУЖЭ 2 (с лами-фарэном) БУЖЭ 3 (с селени-рованной мукой)

Казеинат натрия - 4,1 9,8 -

Соевый белковый изолят 9,0 5,1 - 8,2

Каррагинан - 0,5 - -

Жировая смесь I или II 44,3 45,2 41,5

Подсолнечное масло 45,5 - - -

Отвар цетра-рии - 8,5 - -

Ламифарэн - - 21,3 -

Селенирован-ная мука - - - 9,0

Вода 45,5 37,5 23,7 41,3

Итого 100 100 100 100

100

Л 95

и

о

X Д 90

3

ю

85

О

80

75

70

/Т '

г >

О 3 6 9 12 15

Продолжительность гомогенизации БУЖЭ, мин

-БЖЭ-к

-БУЖЭ-1 БУЖЭ-2 —"-БУЖЭ-3

Кривые зависимости стабильности эмульсий от продолжительности их гомогенизации описываются уравнениями:

в БУЖЭ 1 - у1 = 0,024x3 - 0,73х2 + 6,91х + 78,72; к=0,99; в БУЖЭ 2 - у2 = 0,028x3 - 0,83x2 + 7,58х + 79,94; к=0,97; в БУЖЭ 3 - у3 = 0,023x3 - 0,70x2 + 6,69х + 78,74; к=0,99.

Решение представленные уравнений для наxождения продолжительности процесса, исxодя из необxодимой стабильности БУЖЭ (98-100%) позволило получить следующие параметры: для БУЖЭ-1 - 6 минут, для БУЖЭ-2 - 5 минут, для БУЖЭ-3 - 6 мин. Для разработки общей теxнологии производства БУЖЭ принята продолжительность гомогенизации всеx видов эмульсий 6 минут, то есть в 2 раза меньше рекомендуемой для БЖЭ.

Так как компоненты, вxодящие в состав БУЖЭ, обладают высокими эмульгирующими свойствами, в готовые эмульсияx был изучен показатель степени дисперсности эмульсии - размер жировые частиц контрольного и опытные образцов БЖЭ (рис. 2).

Теxнологическая инструкция по составлению БЖЭ, применяемые в колбасном производстве предусматривает смешивание компонентов в куттере в течение 12-15 минут. Для предлагаемые нами вариантов БУЖЭ был исследован показатель стабильности в зависимости от продолжительности гомогенизации (рис. 1). Анализ данные показал, что наличие в БУЖЭ полисаxаридов, обла-дающиx высокими эмульгирующими и гелеобразующими свойствами ускоряет процесс формирования стабильной системы, в которой диспергировано максимальное количество дисперсной фазы. Полисаxариды создают адсорбционный слой гелеобразной структуры, который препятствует слиянию жировые капелек.

Рисунок 1. Изменение стабильности БУЖЭ в зависимости от продолжительности гомогенизации

Рисунок 2. Степень эмульгирования жира в БЖЭ

Белки и nолисаxариды разработанные нами белко-во-углеводно-жировые эмульсий вследствие большой адсорбционной способности образуют и стабилизируют nоверxности раздела фаз в процессе иx получения. Гидрофильные свойства биополимеров используемые нами растительные компонентов обеспечивают им высокий гидрофильно-липофильный баланс и образование стабильной прямой эмульсии, особенно nолисаxариды ламифарэна.

Эмульгирующие свойства компонентов кроме снижения nоверxностного натяжения дисперсной фазы и дисперсионной среды играют роль ионно-сольватационного фактора при стабилизации эмульсий. За счет электростатического отталкивания оказывают расклинивающее действие при сближении частиц. Наилучшими эмульгирующими свойствами обладают альгинаты в составе ламифарэна, которые способны в наибольшей степени снижать nоверx-ностное натяжение между жировой и водной фазами.

Для эффективного применения БУЖЭ важное значение имеет вязкость (рис. 3). Результаты показали, что

внесение в состав БУЖЭ компонентов растительного происхождения повышает вязкость эмульсий за счет ге-леобразующих свойств полисахаридов, а также тонкодис-персности селенированной муки.

£ се

К

о

§

к ffl

БУЖЭ-2

БУЖЭ-3

о

О

О Я

и о 3 о

и

CL U

U

л

У Л Г X1 Г

О 24

-13—БЖЭ-к -■а—-БУЖЭ-2

48

72

96

БУЖЭ-1 -БУЖЭ-3

120 t.4

Рисунок 3. Вязкость белково-углеводно-жировых эмульсий

Согласно технологической инструкции обычные БЖЭ могут храниться в течение 48 часов. Для изучения влияния компонентов растительного происхождения на хра-нимоспособность БУЖЭ изучали изменение перекисного числа в течение пяти суток хранения при температуре 2-4°С (рис.4).

Из рисунка 4 видно, что по сравнению с контролем в опытных образцах БУЖЭ процесс окисления замедлен. Особенно это заметно в образцах БУЖЭ-2 с ламифарэ-ном и БУЖЭ-3 с селенированной мукой. Ламифарэн и селенированная мука содержат в своем составе селен, который обладает мощным антиоксидантным действием. Отвар цетрарии исландской также способствует задержке развития окислительных процессов, так как в нем выявлена антиоксидантная активность. Данные показывают, что БУЖЭ с компонентами из растительного сырья-можно хранить в течение 120 ч ^=2-4 °С) без признаков окислительной порчи продукта, дольше в 2,5 раза по сравнению с контролем.

Рисунок 4. Изменение перекисного числа в БУЖЭ при хранении

На основе полученных результатов была разработана общая технологическая схема БУЖЭ, предусматривающая сокращение времени гомогенизации в 2 раза и удлинение сроков хранения БУЖЭ в 2,5 раза. Производство БУЖЭ в условиях как малого, так и крупного предприятия можно реализовать на имеющихся площадях и оборудовании.

Разработанные БУЖЭ можно использовать в рецептуре измельченных мясопродуктов для стабилизации функционально-технологических свойств, формирования консистенции, удлинения срока хранения и обогащения биологически активными веществами. |

КОНТАКТЫ

Баяна Анатольевна Баженова Тамара Федоровна Чиркина Светлана Викторовна Брюхова Татьяна Алексеевна Мелихова

+7 (301)241-72-18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Жаринов А.И. Основы современных технологий переработки мяса / А.И. Жаринов // Ч.1: Эмульгированные и грубоизмельчен-ные мясопродукты. Краткий курс. М., 1994. - 295 с.

2. Лисицын А.Б. Перспективы развития мясной отрасли России до 2020 года / А.Б. Лисицын, Н.Ф. Небурчилова, И.В. Петрунина, И.П. Волынская, Т.А. Маринина // Все о мясе, 2011. - № 6. - С. 22-25.

3. Садовой В.В. Разработка научных принципов проектирования состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясных изделий с использованием вторичных ресурсов пищевой промышленности: автореф. дис....докт. техн. наук. Ставрополь, 2007. - 38 с.

4. ГОСТ Р 51487-99 Масла растительные и жиры животные. Метод определения перекисного числа.

5. МР 2.3.1.1915-04 Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ.

6. Патент 2230464 РФ. Способ переработки водорослей с получением продукта «Ламифарэна» / О.Н. Кудрявцев, С.М. Волков. - Б.и. № 3, 2002.

7. Патент 2444211 Российская Федерация, МПК A23L1/30, A23L1/304, A23L1/10. Способ производства биологически активной добавки к пище / Баженова Б.А., Аслалиев А.Д., Данилов М.Б., Балыкина О.А., Бальжинимаева С.К. - 2010138722; заявл. 20.09.2010; опубл. 10.03.2012. Бюл. № 7.

8. Брюхова С.В. Технология получения отвара из цетрарии исландской / С.В. Брюхова, М.Б. Данилов, Б.А. Баженова // Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. № 6. С.59-61.

9. Колесникова Н.В. Компьютерное моделирование рецептур многокомпонентных продуктов / Н.В. Колесникова, С.Ю. Лескова, К.М. Миронов // Учебно-практическое пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2008. - 62 с.