CC BY
66
Сетевой научно-практический журнал
серия Технологии бизнеса и сервиса
ТТАУЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИНДУСТРИИ ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ И ТОРГОВЛИ
641.51:637.48:66.022.36:547.458
Пивоваров П.П., Пивоваров Е.П., Кондратюк Н.В., Степанова Т.М. Изучение процесса гелеобразования в системе «NEA pectin : Ca 2+»
Аннотация статье рассмотрены химические взаимодействия, происходящие в процессе гелеобразования в системе на основе низкоэтерифицированного амидированного пектина и свободных ионов кальция, источником которых является порошок яичной скорлупы. тулючевые слова: кальций; яичная скорлупа; низкоэтерифицированный амидированный пектин; гелеобразование; комплексообразование.
Pivovarov P.P., Pivovarov E.P., Kondratjuk N.V., Stepanova T.M. Study of gelling in the system of «NEA pectin : Ca 2+»
STRAKT
The chemical interactions occurring in the process of gelation in a system based on low-esterified pectin and amidated free calcium ions, the source of which is the egg shell powder.
ywords: calcium; egg-shell; low-esterified and amidated pectin; gelation, complexation.
Введение. Увеличение интереса к компьютеризации и автоматизации условий трудовой деятельности человека существенно снижает уровень его физической активности, что, в свою очередь, требует пересмотра пищевого рациона в сторону оптимизации баланса между энергопотреблением орга-низ-ма и калорийностью пищи [1]. Исходя из существующего сырьевого набора, питание становится избыточно калорийным и при-
водит не только к нарушениям обменных процессов, но, также, и к ряду заболеваний -ожирение, сахарный диабет, сердечная недостаточность.
Согласно классическим канонам принятия пищи, сладкие блюда являются позитивным (в психологическом и физиологическом аспектах) завершением любой трапезы [2]. Однако высокая энергетическая ценность значительно снижает уровень их потре-
№2 2014
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
бления, что приводит к ряду нервных расстройств, связанных с неудовлетворением процесса принятия пищи из-за ощущения незавершенности.
Таким образом, решение вышеобозначен-ной проблемы приобретает актуальность и диктует необходимость создания низкокалорийных сладких блюд с повышенной биологической и пищевой ценностью.
Как известно, большинство сладких блюд создаются посредством образования гелей или эмульсий. В первом случае носителем большого числа калорий выступает желатин, во втором - жир. Калорийность десертной продукции, созданной по эмульсионному типу, снизить более проблематично, чем продукции гелеобразной.
На сегодняшний день особенной популярностью пользуются блюда на основе полисахаридов, которые способны формировать гель и при этом не вырабатывать большого числа калорий при усвоении в организме человека. Однако принципы ге-леобразования в системе полисахаридов недостаточно изучены, поскольку требуют глубокого понимания химических взаимодействий между участниками процесса. Сложность заключается в неоднородности качественного и количественного состава полисахаридов, возникающей из-за природы их происхождения и факторов формирования полисахаридных цепочек в природном сырье. Также большой сложностью является понимание конформаци-онных превращений, возникающих в поле обводнённых полисахаридных цепочек в присутствии химически активных центров связывания, которыми выступают свободные ионы металлов (Са2+, Mg2+, Fe3+). Наибольший интерес из представленного спектра химически активных центров представляют полисахаридные гели пектина, образованные посредством комплексообра-зования в присутствии ионов кальция.
Цель работы - исследование процесса гелеобразования в системе «NEA pectin : Ca 2+» для получения низкокалорийных пищевых композиций с последующим их использованием в сладких блюдах.
Материалы и методы исследования. Низкоэтерифицированный амидованный ци-
трусово-яблочный пектин «NECJ-Ai» (производитель: «PEKTOWIN» Sp.z o.o., шсух.в-в > 90 %), кислота лимонная, сахар белый кристаллический, вода питьевая подготовленная. Изучение физико-химических показателей гелеобразных систем осуществлялось согласно стандартным методикам, сравнительный органолептический анализ был проведен методом органолептической оценки.
Для подтверждения термодинамического преимущества образования комплекса кальция с остатками галактуровой кислоты в составе пищевых систем было проведено квантово-химическое моделирование с ис-пользова-нием метода РМ6 [3]. Результаты квантово-химического моделирования были сопоставлены с результатами исследования термодинамического равновесия в системе «NEA pectin : Ca 2+», которые осуществлялись по методике проведения прямой калориметрии.
Результаты исследования и их обсуждение. Одним из путей решения данной проблемы является создание продукции, которая по органолептическим показателям должна оставаться привычной для потребителя и при этом иметь низкую калорийность. Таким образом, в работах [4, 5] были освещены предложения по созданию желе на плодово-ягодной и цитрусовой основе с альтернативной технологической заменой желатина, который является достаточно калорийным студнеобразователем, на пектин, учитывая его способность образовывать ио-нотропные гели в присутствии свободных ионов кальция.
На первом этапе исследования была создана система «NEA pectin : Ca2+», в состав которой входили низкоэтерифицированный амидированный пектин и ионы кальция, извлеченные из порошка яичной скорлупы ультра мелкого помола путём химических взаимодействий между ионами металла и остатками галактуроновых кислот.
Разработка технологии полуфабриката «Порошок яичной скорлупы» для последующего использования его в системе «NEA pectin : Ca2+» осуществлялась с соблюдением условий безопасности и органолептической привлекательности полуфабриката в готовом продукте.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
Рис. 1. Технологическая схема получения полуфабриката «Порошок яичной скорлупы» Technological scheme of obtaining semifinished «egg shell powder»
Технологическая схема получения полуфабриката «Порошок яичной скорлупы» [4] представлена на рис. 1., из которого видно, что процесс изготовления начинается с полной санитарной обработки сырья, согласно СанПиН 42-123-5774-91.
Далее, под струей воды скорлупа была освобождена от подскорлупной оболочки, проварена при слабом нагреве и, после из-
влечения из варочной среды, обсушена на воздухе. Подготовленное таким образом сырьё было измельчено на дисмембраторе [6] до размера частиц 35-41 мкм, что являлось достаточным для того, чтобы не быть распознанными чувствительными зонами языка.
Для проверки степени безопасности, полученный полуфабрикат был исследован на микробиологическую чистоту (табл. 1).
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
Таблица 1
Микробиологические показатели безопасности полуфабриката
«Порошок яичной скорлупы»
Microbiological safety indicators semifinished «Powder eggshell»
Наименование показателей Значение Метод контроля
Количество МАФАМ, КОЕ в 1 г, не более Не более 5x104 ГОСТ 10444.15
БГКП (колиформы), в 0,1 г Не обнаружено ГОСТ 30518
Патогенные микроорганизмы, в т. ч. бактерии рода Salmonella, в 25 г Не обнаружено ИН№ 1135(4)
ДСТУ EN 12824
Плесневые грибы, КОЕ в 1 г, не более До 1 X 102 ГОСТ 10444.12
Дрожжи, КОЕ в 1 г, не более До 1 X 102 ГОСТ 10444.12
Плесени, КОЕ/г До 1 X 102 ГОСТ 4.24.3.5 ГОСТ 11293
Результаты, приведенные в табл. 1., позволяют судить о безопасном применении данного полуфабриката в питании.
Для придания органолептической привлекательности в технологиче-ском моделировании были использованы кислота лимонная (0,13-0,16%) и сахар кристаллический (16%).
В основу разработки технологии было положено химическая актив-ность ионов кальция, которая возникает в момент его попадания в сетку высокомолекулярного раствора низкоэтерифицированного амидированного пектина. По сравнению с обычными низ-коэтерифицированными пектинами, ами-дированные обладают рядом преимуществ, которые становятся в пользу гелеобразова-ния. Во-первых, образуются термообратимые гели. Во-вторых, система приобретает
тиксотропность, благодаря свойствам амиди-рованных пектинов. В-третьих, системе присуща толерантность к широкому диапазону концентраций ионов кальция даже при их низкой концентрации (0,025%).
Для разработки технологии был выбран именно низкоэтерифицированный амиди-рованный пектин «NEA pectin», поскольку он более высокочувствителен к свободным ионам кальция по сравнению с обычным низкоэтерифицированным пектином, что, в свою очередь, требует меньшей концентрации минерального компонента для гелеобра-зования, что будет способствовать лучшему усвоению пищевой системы в организме человека. На рис. 2 показана зависимость прочности таких гелей от концентрации порошка яичной скорлупы в исследуемой системе.
Пивоваров П.П., Пивоваров Е.П., Кондратюк Н.В., Степанова Т.М.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
Н
Рис. 2. Зависимость прочности студней на основе пектина от содержания порошка яичной скорлупы Dependence of the strength of gels based on the content of pectin powder eggshell
Из рис. 2 видно, что с увеличением каль-цийсодержащего компонента прочность системы также увеличивается, однако, следует отметить, что по органолептическим показателям есть ограничения.
Таким образом, в ходе органолептическо-го анализа было установлено, что необходимое количество кальция, которое позволит получить органолептически привлекательные образцы, содержится в диапазоне 0,0250,4 % порошка яичной скорлупы.
Полученные гели имели свойственный для желатиновых студней стекловидный излом. В ходе наблюдений, полученных во время эксперимента, следует отметить, что низкое содержание кальция позволяет получить прозрачные упругие гели, не склонные к быстрому синерезису. Однако с увеличением количества минерального компонента в системе хотя и наблюдалось увеличение силы, выдерживающей нагрузку, но при этом гели становились более грубыми и ломкими.
На рис. 3 приведена модель комплекса кальция с четырьмя остатками галактуроно-вой кислоты, полученная путём квантово-хи-мического моделирования методом РМ6.
Связь в системе «NEA pectin : Ca 2+» носит ионный характер. Равно-мерно распределенная сила связи между четырьмя остатками галактуроно-вых кислот разрушается, в результате попадания системы в кислую среду (желудочный сок), что приводит к высвобождению ионов Са2+ для дальнейшей их усвояемости организмом человека.
В ходе эксперимента были также установлены сроки и условия хранения полученных образцов (t = +4-8°C, т = 3-4 сут.). Сроки хранения в закрытом виде на данный момент уточняются.
Заключение. Таким образом, было установлено, что полученные гели на основе системы «NEA pectin : Ca 2+» с использованием порошка яичной скорлупы, как источника кальция, в диапазоне 0,025-0,4 %, имеют хорошие органолептические показатели и могут выступить низкокалорийной альтернативой желатиновым гелям.
Также было доказано, что реализация свойств системы «NEA pectin : Ca2+» будет происходить в подкисленных пищевых средах. Для этого было предложено использование цитрусового и/или плодово-ягодного сырья.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
HO H H OH
Ii iE
H/C-С' IT /с-сх
о - с н ио 4i-o-cy он н V-o
ч н / 1 \ н / 1 4о_с ■ Н 4 С_О Н
I I
COO .. ОС)с
СОО'у QOC
I 'I
^ ^ н 1 л Н х1
О-С С-О-с с 0~
I ч Н НО , [ ., ОН Н у
II с—с у н 4 с_с
II II
НО Н 1 [ ОН
Рис. 3. Модель устойчивого комплекса кальций галактуроната Model stable complex calcium galacturonate
Путём проведения прямой калориметрии были подтверждены тепловые эффекты моделей комплекса кальция с галактуронатами, полученные в ходе квантово-химического моделирования. Разница между тепловыми эффектами составила 3%, что подтверждает правильность результатов квантово-химиче-ского моделирования.
Таким образом, работы в этом направлении можно считать весьма перспективными.
Связь в системе «NEA pectin : Ca 2+» носит ионный характер. Равно-мерно распределенная сила связи между четырьмя остатками галактуроно-вых кислот разрушается, в результате попадания системы в кислую среду (желудочный сок), что приводит к высвобождению ионов Са2+ для дальнейшей их усвояемости организмом человека.
В ходе эксперимента были также установлены сроки и условия хранения полученных образцов (t = +4-8°C, т = 3-4 сут.). Сроки хранения в закрытом виде на данный момент уточняются.
Заключение. Таким образом, было установлено, что полученные гели на основе системы «NEA pectin : Ca 2+» с использованием порошка яичной скорлупы, как источника кальция, в диапазоне 0,025-0,4 %, имеют хорошие органолептические показатели и могут выступить низкокалорийной альтернативой желатиновым гелям.
Также было доказано, что реализация свойств системы «NEA pectin : Ca2+» будет происходить в подкисленных пищевых средах. Для этого было предложено использование цитрусового и/или плодово-ягодного сырья.
Путём проведения прямой калориметрии были подтверждены тепловые эффекты моделей комплекса кальция с галактуронатами, полученные в ходе квантово-химического моделирования. Разница между тепловыми эффектами составила 3%, что подтверждает правильность результатов квантово-химиче-ского моделирования.
Таким образом, работы в этом направлении можно считать весьма перспективными.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «NEA pectin : Ca 2+»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлоцька Л.Ф., Дуденко Н.В Основи фiзюлогii, ппени харчування та проблеми безпеки харчових продуклв Навчальний по-йбник. Суми: ВТД «Унiверситетська книга», 2007. 441 с.
2. Фурс И.Н. Технология производства продукции общественного питания Учебное пособие / И. Н. Фурс. Мн.: Новое знание, 2002. 799 с.
3. A DFT Study of the Complexation of Alginic Acid with Ca2+ Ions / S. I. Okovytyy, P. P. Pivovarov, E. P. Pivovarov, N.V. Kondratjuk et al. // 10th Southern School on Material Science and Computational Chemistry, 23 April 2010 : materials. - Jackson : Jackson State University, 2010.
4. Перспективи використання цитрусових плодiв у склад гелеподiбно'i десертно1 продук-цц на основi системи «альпнат натрiю - пробю-тичнi м^ооргашзми» / П.П. Пивоваров, 6.П. Пивоваров, Н.В. Кондратюк, Т.М.Степанова // Збiрник наукових праць ОНАХТ, вип. 44, Т.2. 2013. С. 118-121.
5. Перспективы использования яичной скорлупы в технологии слад-ких блюд на основе пектина / Е.П. Пивоваров, Н.В. Кондратюк, Т.М. Степанова // Збiрник наукових праць. Серiя: Новi ршення в сучасних техно-лопях. Х.: НТУ «ХП1», 2014 № 17. С.175-180. (включено у довщник перiодичних видань
бази даних «Ulrich's Periodicals Directory» (New Jersey, USA)).
6. А/с №1126321, kl. В 02 С 13/22 Дисмем-братор / А.В. Браславский, Ф.Е. Максимов, Н.И Рассказов, А.И. Рыбалка, А.И. Макаров, А.Д. Агеенков (СССР), заявл. 18.03.83; опубл. 30.11.84, Бюл. №44. 1984.
REFERENCES
1. Pavloc'ka L.F., Dudenko N.V. Fundamentals of physiology, nutrition and food safety problems. Sumy: VTD «Universitets'ka kniga», 2007. P. 441.
2. Furs I.N. Technology of production of products catering. Minsk: Novoe znanie, 2002. P. 799.
3. Okovytyy S.I., Pivovarov P.P., Pivovarov E.P., Kondratjuk N.V et al. 10th Southern School on Material Science and Computational Chemistry. 23 April 2010.
4. Pivovarov P.P., Pivovarov E.P., Kondratjuk N.V., Stepanova T.M. Collected Works of ONAFT. V. 2, 2013: PP. 118-121.
5. Pivovarov E.P., Kondratjuk N.V., Stepanova T.M. Collected Works. Series: New solutions in modern technologies. V. 17, 2014: PP. 175-180.
6. Braslavskij A.V., Maksimov F.E., Rasskazov N.I., Ribalka A.I., Makarov A.I., Ageenkov A.D. (1984) Dismembrator. Certificate of authorship o USSR №1126321, kl. В 02 С 13/22, st. 18.03.83, publ. 30.11.84.
данные об авторах
Пивоваров Павел Петрович,
профессор, доктор технических наук, профессор Харьковский государственный университет питания и торговли ул. Клочковская, 333, м. Харьков, 61051, Украина E-mail: [email protected]
Пивоваров Евгений Павлович,
доцент, доктор технических наук, доцент Харьковский государственный университет питания и торговли ул. Клочковская, 333, м. Харьков, 61051, Украина E-mail: [email protected]
data about the authors
Pivovarov Pavel P.,
Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor, Kharkiv State University of Food Technology and Trade 333, Klochkivska St., Kharkiv, 61051 Ukraine E-mail: [email protected]
Pivovarov Evgenij P.,
Associate Professor, Ph.D., Associate Professor, Kharkiv State University of Food Technology and Trade 333, Klochkivska St., Kharkiv, 61051 Ukraine E-mail: [email protected]
Кондратюк Наталия Вячеславовна,
доцент, кандидат технических наук, Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара пр. Гагарина, 72, м. Днепропетровск, 49050, Украина E-mail: [email protected]
Степанова Татьяна Михайловна,
старший преподаватель Сумской национальный аграрный университет, ул. Г. Кондратьева, 160, м. Сумы, 40021, Украина E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Рецензент: Якуба А.Р., профессор, доктор технических наук, профессор, Сумской национальный аграрный университет
Kondratjuk Natalija V.,
Associate Professor, Ph.D., Dnepropetrovsk National University Oles Honchar 72, Gagarina Pr, Dnepropetrovsk, 49050, Ukraine. E-mail: [email protected]
Stepanova Tatiana M.,
Senior Lecturer Sumy National Agrarian University Gerasima Kondrat'eva st, Sumy, 40021, Ukraine E-mail: [email protected]
160,
