Разговоров П.Б. Технология получения биологически активных веществ

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.4. Смесители шнекового (а) и барабанного (б) типов для обработки

исходного сырья и микронутриентов

Рис. 1.5. Оборудование типов «пьяная бочка» (а) и «бетономешалка» (б)

для смешивания микронутриентов и сыпучего пищевого сырья

а б

Особенностью работы барабанного смесителя является то, что спирале-

образные направляющие, закрепленные как в корпусе, так и на валу, вращаются

во взаимно противоположных направлениях.

Достаточно часто, особенно при малотоннажном производстве (йодиро-

ванная соль, обогащенный сахар), используется перемешивающее оборудо-

вание типа «бетономешалка» или «пьяная бочка» (рис. 1.5).

Для такого оборудования загрузка микронутриентов осуществляется че-

рез весовой дозатор со скоростью, равной скорости потока пищевого носителя.

Для повышения точности применяют шнековые транспортеры, снабженные ще-

левыми дозирующими устройствами.

Эффективность работы оборудования, представленного на рис. 1.4, 1.5,

определяют следующие факторы:

– мощность на валу электродвигателя;

– трение частиц при вращении рабочих органов;

– скорость подачи (потока) обогащаемого пищевого сырья;

– продолжительность перемешивания.

Типовая технологическая схема непрерывного процесса производства на

примере получения йодированной соли, выглядит следующим образом (рис.

1.6) [2].

Исходное сыпучее сырье (пищевая поваренная соль) поступает по верти-

кальному транспортеру 1 и подается через специальный патрубок в измель-

чающее устройство 3, минуя магнитоуловитель 2. Измельченная валками

устройства 3 мелкодисперсная соль через питатель 4 с ворошителем (предназ-

начен для равномерного поступления через раструб воронки) попадает на лен-

точный транспортер 5. В конечной точке маршрута транспортера 5 наблю-

дается контакт исходного сырья с йодным раствором, поступающим через фор-

сунки 7 распылительного устройства 8. В качестве йодного раствора исполь-

зуют йодат калия, который хранят в специальных емкостях 10 из нержавеющей

стали. Установка также снабжена воздушным компрессором 6. Обогащенный

продукт (йодированная соль) попадает на шнековый транспортер 9 и,

передвигаясь вдоль него, за счет действия шнеков, расположенных на вращаю-

щемся валу, поступает на упаковку (ссыпается в мешки 11). Готовый продукт,

по мере наполнения мешка, транспортируют в складские помещения.

Таким образом, на практике действует метод напыления (набрызгивания)

жидких растворов на твердую фазу сыпучего сырья, представляющего собой

кристаллы поваренной соли (хлористого натрия).

Способ растворения в воде (молоке и др.) применяется при обогащении

фруктовых соков, напитков, молока и молочных продуктов (типа «наринэ» и

др.).

Для обогащения маргаринов, майонезов и соусов, как правило, исполь-

зуют жирорастворимые витамины, предварительно растворенные в маслосо-

держащей среде. Процесс проводят в вертикальных смесителях, снабженных

пропеллерной мешалкой.

Рис. 1.6. Технологическая схема получения йодированной соли методом распыления

микронутриента на сыпучий исходный материал. Обозначения: 1 – вертикальный

транспортер; 2 – магнитоуловитель; 3 – измельчитель; 4 – питатель с ворошителем;

5 – ленточный транспортер; 6 – воздушный компрессор; 7 – распылительные фор-

сунки; 8 – распылитель; 9 – шнековый транспортер; 10 – емкости из нержавеющей

стали для хранения раствора йодида калия; 11 – упаковочный мешок; 12 – выход

готовой йодированной соли

Эффективность процесса определяют следующие факторы:

– вязкость жирового продукта;

– гомогенность продукта;

– соотношение концентраций смешиваемых ингредиентов;

– степень контакта витаминов с кислородом воздуха и катионами метал-

лов переменной валентности (железо, медь и др.), входящих в состав подложки

технологического оборудования и оказывающих влияние на стабильность ука-

занных микронутриентов.

2. Научно-технические предпосылки создания биологически

активных веществ на основе жиров и пищевых волокон

Отдельные виды микронутриентов, роль которых в жизнедеятельности

организма была экспериментально установлена во второй половине XX столе-

тия – начале 2000-х годов (в частности, пищевые волокна), целесообразно

перед смешением с жировой фазой предварительно растворить в воде.

Отметим, что пищевые волокна (ПВ) выполняют следующие функции:

– функционально стимулируют перистальтику кишечника, ускоряя эва-

куацию продуктов переработки пищи;

– набухая под действием желудочно-кишечных соков, обеспечивают

чувство сытости при меньшем объеме потребления по сравнению с иными

ингредиентами пищи;

– снижают уровень триглицеридов в крови, не изменяя уровень глюкозы

и инсулина;

– уменьшают степень ожирения печени и снижают вероятность кишеч-

ных инфекций и последующих осложнений.

Технологические свойства пищевых волокон условно отображены на

схеме (рис. 2.1), при этом особо следует выделить два:

– гелеобразующую способность волокон при высокой их концентрации;

– способность давать продукты с пониженным содержанием жира.

Рис. 2.1. Принципиальные технические свойства пищевых волокон, важные

для производства биологически активных соединений с их участием

Пищевые волокна

Способность улучшать

текстуру и вкусовые

качества продукта

Способность давать

жироподобные смеси

Диапазон вкуса – от

нейтрального до слабого;

нейтральный вкус и запах

Гелеобразующая

способность при высокой

концентрации

Умеренная

растворимость

Способность повышать

стабильность жировых

эмульсий

В частности, для жировой основы майонезов и соусов сбалансированное

соотношение полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) соблюдается при

ω-6:ω-3 = =10:1. Это обеспечивается подготовкой купажа из подсолнечного и

рапсового масел. В купаж вводят комплекс природных антиоксидантов в коли-

честве 0,5– 4,0%, каротиноиды, токоферолы и кофермент Q

(в составе нера-

финированного пальмового масла). Получают жировую основу кремового

цвета; последний, по мере повышения количества вводимой добавки пальмо-

вого масла в указанном диапазоне, становится интенсивно желтым. Взамен

яичного порошка, содержащего до 2 мас.% холестерина, в рецептуру вводят

ПВ, включающие инулин (рН дисперсии 5–7) либо пектин, лигнин и целлюлозу

(рН 1% водной дисперсии находится в диапазоне 4–8).

Введение ПВ предполагает предварительный перевод их в гелеобразное

состояние, в котором они будут иметь текстуру, максимально приближенную к

текстуре жира. Это достигается путем следующих операций:

– растворение ПВ в воде (в пропорции 3:1);

– перемещение полученной массы в пастеризатор и перемешивание при

температуре 80–85°С и частоте вращения пропеллерной мешалки 1500 мин

–1

течение 5–10 мин (до образования вязкой массы);

– введение пастеризованных растворов других нежировых ингредиентов

рецептуры майонеза;

– снижение температуры до 20–25°С и внесение в него жировой фазы,

содержащей камеди, повышение частоты перемешивания до 2500–3000 мин

–1

последующим введением уксусной кислоты и образованием майонеза.

Важнейшим параметром является стойкость получаемой эмульсии (ГОСТ

300004.2–93). Также необходимо осуществлять контроль вязкости готового

продукта.

Вязкость определяется количеством вносимой добавки ПВ и измеряется с

помощью вискозиметров ротационного типа (например, Rheotest-2). Реологи-

ческие свойства типовых эмульсий представлены на (рис. 2.2) [3]. Как видно из

рис. 2.2, для эмульсий жирностью 10% при увеличении содержания ПВ от 3%

до 6% разброс вязкости максимален, тогда как для эмульсий жирностью 5% он,

напротив, относительно невелик. При увеличении дозировок ПВ получаемые

эмульсии, как показывают приведенные графические зависимости, способны

значительно загущаться.

Это свойство активно используется в технологии получения майонезов

различного технологического назначения:

– соусных майонезов для заправки салатов (в качестве связующего

компонента);

– майонезных композиций (украшение блюд, декоративная задача);

– бутербродных майонезов.

На основании представленных экспериментальных данных построены

математические модели изменения вязкости и получены регрессионные

уравнения, с помощью которых можно рассчитать вязкость майонеза и соусных

эмульсий без существенных временных затрат на опыты (рис. 2.3) [3].

1 2 3 4 5

33,03

23,44

2 3 4 5 6

23,34

23,44

3,03,54,04,55,05,56,0

38,76

21,41

Рис. 2.2. Разброс вязкости для эмульсий различной жирности. Обозначения по осям:

μ – вязкость эмульсии, Па·с; ПВ – содержание пищевых волокон в системе, мас.%.

Жирность эмульсии Веneо НР, %: а – 25; б – 15; в – 10; г – 5

3,03,54,04,55,05,56,0

36,21

28,71

ПВ, ПВ,

ПВ,

Рис 2.3

. Статистическая обработка данных по низкожирным майонезам

и соусам, включащим в свой состав пищевые волокна

В заключение имеет смысл напомнить, что ПВ относятся к классу неус-

вояемых углеводов, которые в организме не утилизируются.

В наше время не подлежит сомнению, что пищевые волокна, активно сти-

мулируя моторную деятельность кишечника, препятствуют всасыванию

холестерина, играют положительную роль в нормализации состава микро-

флоры кишечника и ингибировании гнилостных процессов, оказывают влияние

на липидный обмен (нарушение приводит к ожирению), адсорбируют желчные

кислоты, способствуют снижению концентрации ядовитых веществ жизнедея-

тельности микроорганизмов и выделению из организма токсичных элементов.

При недостаточном содержании в пище неусвояемых углеводов резко возрас-

тает риск сердечно-сосудистых заболеваний и злокачественных образований

прямой кишки.

Суточная норма потребления пищевых волокон составляет 20–25 г.

3. Технология выделения лигнина из природных целлюлозосодержащих

материалов и создание новых биологически активных веществ

Способы введения ПВ в различные пищевые продукты с целью влияния

на биологическую активность могут быть следующими:

– использование в полном объеме сырья, содержащего ПВ;

– добавление продуктов переработки, содержащих высокое количество

ПВ;

– введение препаратов ПВ в чистом виде.

Последний способ является наиболее предпочтительным. Он основан на

извлечении ПВ из растительного сырья и их очистке с получением биологи-

чески активных соединений различных марок (Beneo HP и др.)

Наиболее часто используют в пищу так называемые волокнистые (при-

родные) целлюлозосодержащие материалы (ЦСМ). Природные ЦСМ делятся на

два типа, которые представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Типы природных ЦСМ

Ввыделение лигнина из природных ЦСМ, входящего в них в количестве

6,8–30,5% и по химическому строению представляющего собой фенилпропа-

новый комплекс с гемицеллюлозой (глюканы, галактаны, фруктозаны), есть

главный шаг в получении очищенных ПВ. Этот шаг является необходимым для

всех природных веществ, за исключением торфа.

Процесс выделения лигнина из природных волокнистых соединений на-

зывают делигнификацией. Его осуществляют следующими путями:

1) Физический (предобработка) – облучение γ-лучами или потоком

электронов; обработка микроволновым излучением (2400–2500 мГц); нагрева-

ние на воздухе, в воде или керосине; действие ультразвука. Эти методы вызы-

вают частичную деградацию сложной структуры целлюлозы и лигнина.

2) Механический – измельчение в шаровых, коллоидных и вибромель-

ницах, валковых дробилках, дезинтегарторах.

3) Химический – кипячение или автоклавирование в течение 30–60 мин в

разбавленных растворах щелочи (как правило, 1–2% растворах NaOH или

OH); сульфатная или сульфитная варка либо обработка нижеприведенными

химическими препаратами:

Природные ЦСМ

Лигноцеллюлоза

(древесина, кустарники, листья,

трава, водоросли)

Чистая целлюлоза

(хлопок, отходы хлопка, лен)

Вода Сток в канализацию

1% р-р лигниназы Оборотная вода

Пар

Оборотная вода

Сушильный агент Очистка

(паровоздушная смесь) ( (паровоздушная смесь)

Упаковочный материал

Рис. 3.2. Технологическая схема получения концентрата ПВ из растительного сырья

Химическая обработка;

= 60

мин

, t = 100°C, C

аОН

= 0,01%

Фильтрация и промывка;

τ =10

–

мин, рН

Введение фермента лигниназы;

τ = 12 мин, t = 40°C, рН =8

Фильтрование

Сушка (конечная ω

= 6–10%)

Готовый продукт

Фасовка и упаковка

Измельчение сырья

Конденса

Инактивация лигниназы;

τ = 2–5 мин, t = 100°C

Измельчение и просеивание

концентрата ПВ; d = 0,2–0,5мм

Пар, р-р NаОН

Сток в канализацию

а) раствор аммиака (NH

OH) в смеси с Н

или надуксусной кислотой;

б) NH

OH в смеси с уксусным ангидридом (99,9%) и Н

(30%) в про-

порции 1:1 при 80°С;

в) делигнификация бутанолом с добавкой Н

О (1:1) и 0,3 мас.% HCl, NH

NaOH при температуре t = 170°С в течение 1 ч. Катализаторами процесса

служат H

, FeCl

, антрахинон.

4) Биологический – используют

специальные микроорганизмы (из среды

грибов, бактерий, дрожжей), утилизирующие лигнин из ЦСМ как источник

углерода или ферментов, синтезируемых этими микроорганизмами. Это весьма

длительный процесс (несколько суток, месяцев), который, однако, приводит к

эффективному повышению реакционной способности ЦСМ.

Поскольку выделенная и очищенная целлюлоза может быть использована

в качестве биологически активной добавки к пище, способной не только

снижать калорийность пищи, но и выступать в качестве улучшителя товарного

вида и качества пищевых продуктов, разработка технологии получения фер-

ментных препаратов, активно разрушающих лигнин в составе ЦСМ, является

важнейшей задачей.

Схема получения концентрата пищевых волокон (КПВ), обладающего

повышенной биологической активностью, представлена на рис. 3.2. Одним из

важнейших этапов (операций) технологического цикла является введение и об-

работка исходного сырья лигниназой, представляющей собой штамм микро-

организмов актиномицетов Streptomyces mersei C-24, утилизирующий до 74%

лигнина из основных опилок в питательной среде. Питательная среда включает

на 82 части (ч.) опилок: нитрата аммония – 14 ч., гидрофосфата калия – 0,4 ч.;

глюкозы – 0,8 ч.; кукурузного экстракта – 1,6 ч. Активную белковую часть из

культуральной жидкости, содержащей штамм, высаждают этанолом при соот-

ношении жидкость: этанол = 1:3, затем отделяют осадок фильтрацией и сушат

его под вакуумом при 40–50°С. Обработка 1% раствором такого препарата

позволяет получить концентрат ПВ следующего состава, мас.%: целлюлоза –

87, гемицеллюлоза – 11, лигнин – 2. Этот концентрат пищевых волокон отлич-

но зарекомендовал себя в производстве хлебобулочных изделий, а также апро-

бирован в качестве функциональной добавки к масложировым продуктам

различного назначения.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что пищевые волокна играют примеча-

тельную роль в оживлении деятельности кишечного тракта (ЖКТ), так как,

набухая, заполняют собой пространство желудка и способствуют тем самым

меньшему потреблению пищи, а также активизируют процесс движения пищи в

ЖКТ.

Основными источниками пищевых волокон являются хлеб грубого помо-

ла, капуста, бананы, картофель.