ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ. Спеціальність 05.18.16 – технологія продуктів харчування
МОГИЛЯНСЬКА НАДІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА
УДК [637.146.3:613.2] : 616.379 – 008.64
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЙ
ФЕРМЕНТОВАНИХ МОЛОЧНИХ НАПОЇВ
ДІАБЕТИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
З ВИКОРИСТАННЯМ КОМПЛЕКСІВ СИНБІОТИКІВ
Спеціальність 05.18.16 – технологія продуктів харчування
Автореферат
Дисертації на здобуття наукового ступеня
Кандидата технічних наук
ОДЕСА - 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій
Міністерства освіти і науки України.
| Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент, Дідух Наталія Андріївна, Одеська національна академія харчових технологій, кафедра технології молока та сушіння харчових продуктів, докторант кафедри |
| Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, Дейниченко Григорій Вікторович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, кафедра технологічного устаткування, завідувач кафедри; |
| кандидат технічних наук, доцент Поліщук Галина Євгенівна, Національний університет харчових технологій, кафедра технології молока і молочних продуктів, завідувач кафедри |
Захист відбудеться 24 грудня 2008 року о 1030 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.02 Одеської національної академії харчових технологій (65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112) в ауд. А – 234.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112.
Автореферат розісланий 21 листопада 2008 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
д.т.н., професор Г.М. Станкевич
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В останні десятиріччя відзначається різкий ріст захворювання на цукровий діабет. Розвитку цього захворювання сприяє підвищення середньої маси тіла всіх вікових груп населення, неправильне харчування, переїдання, вживання значної кількості рафінованих продуктів, дефіцит харчових волокон. В Україні на сьогоднішній день офіційно зареєстровано понад мільйон хворих на цукровий діабет. Навіть в економічно розвинених країнах, у яких діагностика і лікування цього захворювання перебуває на дуже високому рівні, кількість людей з діабетом збільшується кожні 10 років на 250...300 тис. чоловік. За даними ВООЗ сьогодні в світі цукровим діабетом хворіє близько 120 млн. чоловік, а за прогнозами вчених до 2010 р. таких хворих буде понад 230 млн. чоловік.
Вживання функціональних продуктів діабетичного призначення поряд з дотриманням режиму харчування й активного способу життя, є однією з найважливіших складових у лікуванні цукрового діабету ІІ типу.
Розробка широкої гами нових продуктів функціонального призначення, в тому числі, на молочній основі, які були б досить розповсюдженими і при постійному вживанні здійснювали позитивний вплив на організм людей, хворих на цукровий діабет, і попереджали прогресування цього захворювання, є важливим соціально-економічним завданням. До складу таких продуктів обов'язково повинні входити біологічно активні речовини (БАР), харчові волокна і пробіотичні культури біфідобактерій (ББ) та лактобактерій (ЛБ).
До продуктів харчування діабетичного призначення існує ряд вимог: вміст жирів та легкозасвоюваних вуглеводів має бути обмеженим; співвідношення між насиченими (НЖК), моно- та поліненасиченими жирними кислотами (МНЖК та ПНЖК, відповідно) в продуктах повинно бути наближене до 1,0:1,0:1,0; масова частка жиру в молочних напоях не має перевищувати 1,0 %; вміст харчових волокон, вітамінів та мікроелементів, в тому числі антиоксидантного ряду, пробіотичних культур біфідо- і лактобактерій повинно бути підвищеним.
Сьогодні на споживчому ринку України продуктів діабетичного призначення молочні продукти представлені, в основному, солодкими йогуртами, сирковими десертами й морозивом, до складу яких входять замінники цукру. Ферментовані молочні напої (кефір, простокваша, ряжанка, ацидофілін та ін.), які традиційно вживає здорове населення України потребують корегування хімічного складу у відповідності з вимогами нутриціології до діабетичних напоїв. Тому одним з перспективних напрямків досліджень в області молочної промисловості є розробка ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення зі зниженим вмістом лактози і підвищеним вмістом БАР, пробіотиків і харчових волокон.
Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана згідно з держбюджетними науково-дослідними темами кафедри технології молока та сушіння харчових продуктів Одеської національної академії харчових технологій 2/08 – ТМ та СХП "Розробка технологій молочних продуктів спеціального призначення" (№ держреєстрації 0108U004433) та "Розробка технологій молочних продуктів нового покоління".
Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи – розробка науково обґрунтованих технологій ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення (ФМНДП) з використанням БАР, комплексів пробіотичних культур біфідо- і лактобактерій та харчових волокон.
Відповідно до поставленої мети визначено такі завданні:
− провести математичне моделювання й оптимізацію жирнокислотного складу ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення з використанням жирових добавок, які відповідають вимогам нутриціології до продуктів діабетичного харчування;
− підібрати фізіологічно функціональні харчові інгредієнти (ФФХІ), які сприяють підвищенню антиоксидантних властивостей молочно-жирової суміші та харчових волокон, встановити їх раціональні концентрації;
− обґрунтувати склад симбіотичних комплексів з високою β-галактози-дазною активністю для виробництва ФМНДП;
− розробити оптимальні режими гомогенізації й ферментації збагачених молочно-жирових сумішей для виробництва ФМНДП та обґрунтувати параметри зберігання готових продуктів;
− розрахувати рецептури та розробити технології виробництва кисломолочних напоїв для діабетиків;
− розробити нормативну документацію, провести промислову апробацію розроблених технологій ФМНДП та оцінку економічної ефективності їх виробництва;
− визначити показники якості розроблених кисломолочних напоїв для діабетиків;
− провести медико-біологічні дослідження ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення.
Об’єкт дослідження – технологічні процеси виробництва ФМНДП.
Предмет дослідження – знежирене молоко, молочні вершки, рослинні олії, вітаміни Е і С, біологічно активна добавка (БАД) "Селен Активний", харчові волокна, фруктоза, β-галактозидаза, закваски прямого внесення для ферментованих молочних напоїв, молочно-жирові суміші, збагачені молочно-жирові суміші, гомогенізовані, пастеризовані, ферментовані молочно-жирові суміші, ферментовані молочні напої діабетичного призначення.
Методи дослідження – математичного моделювання та оптимізації, загальноприйняті і спеціальні фізичні, хімічні, біохімічні, фізико-хімічні, мікробіологічні, технологічні, органолептичні, медико-біологічні, експериментально-статистичні, аналітичні з використанням сучасних пристроїв і комп’ютерних технологій.
Наукова новизна одержаних результатів.Показано доцільність застосування комплексу БАР (моно- та поліненасичених жирних кислот, органічного селену у складі БАД "Селен Активний", вітамінів Е і С, речовин з Р-вітамінною активністю, харчових волокон) у виробництві ФМНДП.
Науково обґрунтовано синбіотичні комплекси для виробництва ФМНДП (кефіру, простокваші, ацидофіліну і йогурту), до складу яких входять пробіотичні культури ЛБ і ББ, вітаміни та мікроелементи антиоксидантного ряду, харчові волокна, фруктоза. Використання розроблених синбіотичних комплексів забезпечує одержання кисломолочних напоїв зі зниженим вмістом легкозасвоюваних вуглеводів, що дозволяє рекомендувати їх для діабетичного харчування.
Встановлено синергетичний ефект антиоксидантних і біфідогенних властивостей при спільному використанні вітаміну Е, рослинних олій, органічного селену й концентрату сироваткових білків у процесі виробництва ФМНДП.
Показано вплив компонентів антиоксидантних комплексів та заквашувальних культур на тривалість ферментації збагачених молочно-жирових сумішей та зберігання готових ФМНДП.
Обґрунтовано стабілізуючу роль антиоксидантів, пробіотичних культур біфідо- і лактобактерій та харчових волокон при зберіганні ФМНДП.
Новизна технічних рішень, які містяться в роботі, підтверджується деклараційними патентами України на корисну модель "Композиція для виробництва йогурту діабетичного призначення" (№ 30077), "Ферментований напій діабетичного призначення" (№ 31007), "Йогурт діабетичного призначення" (№ 31008), "Кисломолочний напій діабетичного призначення" (№ 31009).
Практичне значення одержаних результатів.На підставі експериментальних і теоретичних досліджень розроблені технології ферментованих молочних напоїв (кефіру, простокваші, ацидофіліну та йогурту) діабетичного призначення без використання цукрозамінників; обґрунтовані основні технологічні параметри (режими гомогенізації, ферментації та зберігання), що забезпечують виробництво високоякісної продукції, яка має високі пробіотичні та антиоксидантні властивості; запропоновані рецептури ФМНДП, що дозволяють одержати напої, склад яких відповідає вимогам нутриціології до продуктів діабетичного призначення.
На підставі отриманих даних розроблена нормативна документація на виробництво ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення (ТУ 15.5-02071062-001:2008 і ТІ) і йогурту діабетичного призначення (ТУ 15.5-02071062-002:2008 і ТІ).
Доведена можливість промислового виробництва ФМНДП із використанням комплексів синбіотиків без здійснення модернізації та реконструкції діючих молокопереробних підприємств. Розроблені технології виробництва ФМНДН апробовані на ТОВ "Агроком", с. Єгорівка Одеської обл. та ТОВ "Білоцерківський молкомбінат", с. Томилівка Київської обл. Розраховані економічні показники свідчать про ефективність впровадження технологій запропонованих молочних продуктів.
Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі на кафедрі технології молока та сушіння харчових продуктів Одеської національної академії харчових технологій.
Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи, добір та аналіз літературних даних, статистична обробка, теоретичне обґрунтування одержаних результатів, їх описання та інтерпретація, підготовка матеріалів досліджень до публікації, розробка рекомендацій для промисловості та нормативної документації, оформлення патентів, промислова апробація технологій здійснені здобувачем особисто за методичної та наукової підтримки кандидата технічних наук, доцента Дідух Н.А.
Автор висловлює щиру подяку завідувачу кафедри технології молока та сушіння харчових продуктів ОНАХТ к.т.н., доценту Т.А. Лисогор за допомогу та консультації при проведенні наукових досліджень.
Апробація результатів дисертації.Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і одержали схвалення на: I та II Міжнародних науково-практичних конференціях "Харчові технології" (Одеса, 2006 і 2007 рр.); 67-ій й 68-ій науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу ОНАХТ (Одеса, 2007 і 2008 рр.); 73-ій і 74-ій Наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, 2007 і 2008 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції "Scientific works Food science, engineering and technologies – 2007" (Пловдив, 2007 р.); III Міжнародній конференції "Стратегия качества в промышленности и образовании" (Варна, 2007 р.); ІІІ Міжнародній конференції молодих вчених "Разнообразие живого. Экология. Адаптация. Эволюция" (Одеса, 2007 р.); IV Міжнародній науково-практичній конференції "Vedecky prumysl evropskeho kontinentu – 2007" (Прага, 2007 р.); II Міжнародній науково-практичної конференції "Perspektywiczne opracowania nauki I techniki – 2007" (Польща, 2007 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Инновационные технологии, проблемы качества и безопасности сырья и готовой продукции в мясной и молочной промышленности – 2007" (Київ, 2007 р.); 5-а Міжнародній науково-практичній конференції «Актуальні проблеми харчування: технологія і обладнання, організація і економіка» (Святогірськ, 2007 р.); Всеукраїнській науково-практичній конференції «Прогресивна техніка та технології харчових виробництв, ресторанного господарства і торгівлі. Економічна стратегія і перспективи розвитку сфери торгівлі та послуг» (Харків, 2007 і 2008 рр.); IV Міжнародній науково-практичній конференції "Наука и образование – 2008" (Софія, 2008 р.); IV Міжнародній науковій конференції студентів та аспірантів "Техника и технология пищевых производств" (Могильов, 2008 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Актуальні проблеми і новітні технології харчової та переробної галузі» (Луганськ, 2008 р.).
Публікації.За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 30 наукових праць, у тому числі: 10 – у фахових виданнях України, 5 – у наукових журналах, 4 деклараційних патенти України на корисну модель та у тезах 11 доповідей на наукових та науково-практичних конференціях.
Структура та обсяг роботи.Дисертація складається із вступу, 5-ти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел і додатків.
Дисертаційна робота викладена на 155 сторінках основного тексту, містить 32 рисунки (37 сторінок), 24 таблиці (21 сторінка), 10 додатків (114 сторінок). Список використаних літературних джерел включає 295 найменувань (28 сторінок).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступідисертації обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, їх апробацію, особистий внесок у проведення досліджень та публікації здобувача за темою дисертаційної роботи.
У першому розділі "Основні тенденції виробництва продуктів харчування діабетичного призначення" докладно розглянуто процеси, які протікають в організмі людини, хворої на цукровий діабет, обґрунтовано значення харчування при цукровому діабеті, розглянуто основні компоненти, які використовуються у виробництві продуктів для харчування діабетиків, проведено аналіз ринку молочних продуктів діабетичного призначення. На основі аналізу літературних та патентних джерел запропоновано напрямки проведення наукових досліджень.
У другому розділі "Програма та методи досліджень" викладено методологічні основи та етапи розробки технології ФМНДП. Схему напрямків проведення досліджень наведено на рис. 1.
Робота виконана в лабораторіях кафедри технології молока та сушіння харчових продуктів, хімії і безпеки харчових продуктів, біохімії, мікробіології та фізіології харчування, технологічного обладнання харчових виробництв Одеської національної академії харчових технологій, окремі дослідження – в лабораторії біохімії і фізіології рослин Селекційно-генетичного інституту Національного центру насіннєводства і сортовивчення Української академії аграрних наук, у Технологічному інституті молока і м'яса УААН, у Одеському інституті очних хвороб і тканинної терапії АМН України ім. В.П. Філатова.
Наведено перелік використаних методів досліджень. Для оцінки сировини, БАР та готової продукції використовували як стандартні уніфіковані методи досліджень, так і оригінальні: визначення антиоксидантної активності сировини, БАР, збагачених сумішей і готової продукції та вмісту малонового діальдегіду в них, для визначення вуглеводного складу – газову та високоефективну рідинну хромотографію.
У третьому розділі "Розробка складу молочно-жирової основи та вибір комплексів симбіотиків для виробництва ферментованих молочних напоїв діабетичного призначення" здійснено математичне моделювання та оптимізацію жирнокислотного складу молочно-жирової основи для виробництва діабетичних кисломолочних напоїв, обґрунтовано вибір та визначено раціональні концентрації ФФХІ з антиоксидантними та пробіотичними властивостями, науково обґрунтовано склад симбіотичних комплексів з високою β-галактозидазною активністю для виробництва ФМНДП.
За основу для виробництва напоїв діабетичного призначення обране знежирене молоко, яке має мінімальний вплив на глікемічний індекс глюкози у хворих цукровим діабетом, здійснює незначне навантаження на інсулярний апарат і знижує ризик додаткової утилізації глюкози в жирові депо організму. При виробництві йогурту діабетичного призначення до складу молочної основи для нормалізації за масовою часткою сухих речовин доцільно внесення сухого концентрату сироваткових білків (КСБ), масова частка лактози в якому не перевищує 5,0 %.
Співвідношення НЖК:МНЖК:ПНЖК у молочному жирі становить 10,2:5,0:1,0, тому для наближення жирнокислотного складу молочно-жирової основи для діабетичних продуктів до вимог нутриціології проведено його корегування рослинними оліями, які містять значну кількість ПНЖК, МНЖК, жиророзчинних вітамінів-антиоксидантів і не містять холестерину. За жирові добавки обрано соєву та оливкову олії. Для проектування жирнокислотного модулю молочно-жирових сумішей використовували математичну модель професора М.М. Ліпатова. Вміст рослинних олій у сумішах змінювали від 5,0 до 50,0 % (з інтервалом у 5,0 %) від загальної масової частки жиру сумішей. Оптимізацію жирнокислотного складу сумішей проводили за ступенем наближення співвідношення між НЖК:МНЖК:ПНЖК до вимог нутриціології для продуктів діабетичного призначення з використанням табличного процесора MS Exсel. Для виробництва ФМНДП рекомендовано 40,0 % молочного жиру замінити соєвою олією та 10,0 % – оливковою; при цьому співвідношення НЖК:МНЖК:ПНЖК складає 1,3:1,0:1,0.
Для підвищення антиоксидантних властивостей продуктів діабетичного призначення проводили їх збагачення вітамінами та мікроелементами антиоксидантного ряду: вітамінами Е і С, селеном, речовинами з Р-вітамінною активністю.
Як джерело Р-вітамінних речовин використовували водно-спиртовий екстракт шипшини. Обґрунтовано режим екстрагування БАР із сухих плодів шипшини. Критерієм оцінки ефективності процесу екстрагування був вміст лейкоантоцианів, катехінів та вітаміну С у екстракті. Встановлено, що максимальна кількість цих речовин екстрагувалася при використанні в якості екстрагента 10 %-го спирту при його співвідношенні з плодами шипшини 12,5:1,0 впродовж 45 хвилин.
Концентрації перерахованих ФФХІ встановлені експериментальним шляхом із врахуванням виникнення синергетичних та антагоністичних ефектів антиоксидантних властивостей сумішей при спільному використанні. Критерієм оцінки антиоксидантних властивостей сумішей були концентрація малонового діальдегіду (МД) і антиоксидантна активність (АА) (рис. 2). При вмісті в напоях вітаміну Е у кількості 1,5 мг/100 г, органічного селену –12,5 мкг/100 г, екстракту шипшини – 2,5 г/100 г та аскорбінової кислоти – 7,0 мг/100 г продукту АА підвищується в 3,1 раз, вміст МД знижується в 5 раз у порівнянні з молочно-жировою сумішшю.
Проведені дослідження щодо визначення раціональної масової частки клітковини у ФМНДП як ФФХІ. Встановлено, що допустима кількість клітковини та пшеничних висівок в напоях не повинна перевищувати 0,3 та 0,6 %, відповідно.
Досліджено вуглеводний склад згустків, отриманих ферментацією знежиреного молока бакконцентратами (БК) мезо- і термофільних ЛБ і пробіотичних штамів ББ (табл. 1).
Встановлено, що для виробництва простокваші доцільно використання штаму S. thermophilus, що входить до складу БК Liobac ST, для виробництва кефіру – БК Liobac Kefir 22 (Lb. lactis + L. lactis + Leиconostoc + Saccharomyces + S. thermophilus), для виробництва ацидофіліну – БК Liobac Lacid, що включає штам Lb. аcidophilus LA 02, для йогурту – йогуртні БК Liobac Yo-Yo (S. thermophilus + Lb. bulgaricus). Для підвищення пробіотичних властивостей ФМНДП доцільно включення до складу симбіотичних комплексів БК Liobac BIFI, що містить змішані культури B. bifidum BB 03 + B. longum BL 03 + B. breve BR 03 у співвідношенні 1:1:10.
В йогуртних сумішах доцільно здійснювати ферментативний гідроліз лактози з використанням ферментних препаратів β-галактозидази, що сприяє інтенсифікації росту ББ і ЛБ і забезпечує одержання солодких йогуртів без використання цукрозамінників.
Для визначення співвідношень ЛБ та ББ у складі симбіотичних комплексів їх вихідні концентрації в сумішах варіювали в діапазоні 1,0·104…1,0·106КУО/см3. Критерієм при виборі оптимальних співвідношень ЛБ і ББ у складі комплексів були пробіотичні та антиоксидантні властивості продуктів (табл. 2). Для виробництва кефіру і простокваші співвідношення ББ та ББ повинно становити 1:1, вихідна концентрація культур при заквашуванні 1,0·106КУО/см3, для виробництва ацидофіліну та йогурту рекомендовано встановити співвідношення ББ та ЛБ 10:1 та 1:10, відповідно.
Таблиця 1
Вуглеводний склад згустків, отриманих ферментацією знежиреного молока чистими культурами біфідобактерій та БК лактобактерій (n = 3, Р ≥ 95,0)
| Штам біфідобактерій та БК лактобактерій | Масова частка вуглеводів, % | Сумарний вміст вуглеводів, % | |||
| глюкози | галактози | лактози | фруктози | ||
| B. bifidum BB 03 | – | 0,38 | 3,70 | сліди | 4,08 |
| B. longum BL 03 | – | 0,41 | 3,70 | сліди | 4,10 |
| B. breve BR 03 | – | 0,44 | 3,62 | сліди | 4,06 |
| B. animalis Bb-12 | 0,03 | 0,41 | 3,71 | сліди | 4,15 |
| Lyobac ML 24 | – | сліди | 4,04 | сліди | 4,04 |
| FD DVS CH-N 19 | сліди | сліди | 3,99 | сліди | 3,99 |
| Lyobac MCL 24 | – | – | 4,10 | – | 4,10 |
| Lyobac STМ 20 | – | 0,35 | 3,54 | – | 3,89 |
| FD DVS St-body 1 | сліди | 0,10 | 3,56 | – | 3,66 |
| Lyobac ST 80 | сліди | 0,34 | 3,16 | – | 3,50 |
| Lyobac KEFIR 11 | – | сліди | 4,03 | – | 4,03 |
| Lyobac KEFIR 22 | – | 0,31 | 3,53 | – | 3,84 |
| FD DVS La-5 | сліди | сліди | 3,83 | – | 3,83 |
| Lyobac LACID | сліди | сліди | 3,44 | сліди | 3,44 |
| FD DVS Yo-Flex 180 | сліди | 0,29 | 2,99 | – | 3,28 |
| Lyobac YO-YO 60 | сліди | 0,32 | 2,92 | – | 3,24 |
Таблиця 2