Переработка ягод брусники и водяники черной Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Переработка ягод брусники и водяники черной

В.В. Будаева

Институт проблемных химико-энергетических технологий

А.А. Лобанова

ФГУП «ФНПЦ «Алтай»

Е.Ю. Егорова

БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Бийск)

Брусника (Vaccinium vitis-idaea L.) и водяника черная (Empetrum nigrum) — классические дикоросы северных районов России — ценное возобновляемое сырье как для производства традиционных продуктов переработки ягод (соков, пюре и др.), так и для получения биологически активных добавок к пище или новых продуктов с функциональной направленностью свойств.

Несмотря на то, что брусника и водяника на Севере России широко распространены, промышленная переработка ягод в этом регионе отсутствует. Согласно Указу Президента Российской Федерации «О мерах государственной поддержки социально-экономического развития Корякского автономного округа (КАО)» №2163 от 16.12.93 г. в ФГУП «ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск) была разработана технология комплексной переработки ягод брусники и водяники черной, произрас-

Таблица 1

тающих на территории КАО с получением продуктов, приведенных в табл. 1.

Блок-схема по переработке ягод приведена на рис. 1. Переработка брусники основана на отделении сока от жмыха, разделении сока на жидкую фазу и мякоть. Жидкую фазу используют для производства сока натурального — пастеризацией с горячим розливом, сока спиртованного — добавлением спирта, сока концентрированного — упариванием

жидкой фазы в вакууме. Мякоть применяют для получения пюре путем последовательных пастеризации, гомогенизации и горячего розлива. Жмых сушат и используют для выделения водостирто-растворимого комплекса веществ (экстракта пищевого из брусники) с последующим получением брусничного пектина из отработанного жмыха.

Схема по переработке водяники также включает стадии отделения сока от жмыха и разделения сока на жидкую фазу и мякоть. Жидкая фаза идет на получение сока натурального, спиртованного, концентрированного и сухого, получаемого путем сушки концентрированного сока в распылительной сушилке. Из мякоти путем пастеризации, гомогенизации и горячего розлива получают пюре; высушенный жмых используют в качестве вкусоароматической добавки и красителя в кондитерской и хлебопекарной промышленности. Жмых водяники можно также применять для получения аналога эмпетрина [2].

Сырье свежее Продукты переработки Выход, кг/т сырья Нормативная документация

Сок натуральный неосветленный 500 ГОСТ 656

Жмых (массовая доля влаги 10-13%) 200 ТУ 27081564021-94

Брусника Сок концентрированный Сок спиртованный Пюре натуральное 220 600 100 ГОСТ 18078 ГОСТ 28539 ГОСТ 22371

Экстракт пищевой из брусники 100 ТУ 27081564004-93

Пектин 7 ТУ 7508906113-92

Сок натуральный 720

Сок спиртованный 860 ТУ 27081564-

Водяника черная Сок концентрированный Сок сухой Пюре натуральное 100 110 50 020-94 ТУ 27081564022-94

Жмых (массовая доля влаги 10-13%) 100 ТУ 27081564021-94

Ягоды

Отжим сока

Жмых сырой

Сок с мякотью

Сушка жмыха

Отделение мякоти от сока

Фасовка жмыха

Пастеризация мякоти (пюре)

Экстракция

Сбор извлечений

Концентрирование в вакууме

Возврат разбавленных извлечений

Отогнанный

спирт

Экстракт пищевой

Фасовка пюре

Сушка отработанного жмыха

Сок натуральный

Пастеризация сока

Фасовка сока натурального

"Г

Спирт

Спиртование сока

Отстаивание спиртованного

Фасовка спиртованного сока

Концентрирование сока

Фасовка экстракта пищевого

Получение пектина

Получение

аналога эмпетрина

Фасовка ягодного

Распылительная сушка Сок концентрированный

i

Сок сухой

1

Фасовка Фасовка сока

сока концентриро-

сухого ванного

Рис. 1. Блок-схема по переработке брусники и водяники

НАЛиткиу 3.

2005

Жмых

Ягода

В поз. 6

Вода [Ц

Из поз. 6

мЛтЧ^ 6

Вакуум _

Слив готового продукта

Из поз. 17 О Из поз. 18

* Г , □ \

■ *

Слив готового продукта

2

23

Сухой продукт

Рис. 2. Аппаратурно-технологическая схема переработки ягод

Аппаратурно-технологическая схема переработки ягод приведена на рис. 2. Ягоду сгружают в бункер 1, сок-самотек поступает в емкость 5. Из бункера ягода поступает в соковыжималку 2, после которой сок с мякотью подается на фильтровальную воронку 3; профильтрованный сок собирают в емкость 5. Отжатый жмых направляют на сушку в аппарат 9.

Мякоть с фильтровальной воронки под вакуумом поступает в смеситель 6, в котором при непрерывном перемешивании массу нагревают до 90 °С, выдерживают в течение 5-10 мин и гомогенизируют (на схеме поз. 7). Готовый продукт — пюре фасуют в подготовленную потребительскую упаковку горячим розливом.

Сок свежеотжатый из емкости 5 под вакуумом закачивают в смеситель 6. Аналогично технологии пастеризации пюре натуральный сок фасуют в потребительскую упаковку горячим розливом.

Для получения концентрированного сока свежеотжатый сок из емкости 5 с

помощью вакуума порционно или непрерывно закачивают в аппарат 14 через мерник 15. Концентрирование проводят в аппарате при температуре не более 75 °С и остаточном давлении 120-150 мм рт. ст. При достижении соком массовой доли сухих веществ более 54 % его охлаждают и фасуют в потребительскую упаковку.

Спиртованный сок готовят в емкости 5, для чего к отмеренному объему сока приливают необходимый объем спирта. После смешения циркуляцией (на схеме поз. 4) готовый продукт фасуют обычным способом.

Жмых сушат в нестандартном оборудовании — экстракторе 9, представляющем собой аппарат с коническим днищем, снабженный ленточной мешалкой и водяной рубашкой для подвода тепла. В рабочей камере аппарата с помощью во-докольцевого насоса достигается остаточное давление 220-320 мм рт. ст., температура при этом поддерживается в диапазоне 70...75 °С. В указанном режиме

из жмыха удаляется основное количество влаги; при достижении жмыхом влажности 10-12 % его охлаждают. Для получения более сухого жмыха (например, с массовой долей влаги 3-5 %) температуру в рабочей камере снижают до 55.60 °С с одновременным понижением остаточного давления (с помощью механического вакуумного насоса с масляным уплотнением) до 120-150 мм рт. ст. Процесс сушки реализуется подводом тепла в рабочую камеру с непрерывным перемешиванием жмыха ленточной мешалкой. При этом исключается образование застойных зон и возможных перегревов материала, что способствует сохранению термолабильных биологически активных веществ [3].

Получение экстракта пищевого из брусники (ЭПБ) осуществляется экстракцией 60%-ным водным спиртом жмыха брусники с последующим концентрированием экстракта под вакуумом до массовой доли сухих веществ не менее 70 %. Подготовку экстрагента проводят в аппарате 22.

а

Жмых в экстракторе 9 заполняют эк-страгентом из мерника 10 до покрытия сырья с образованием зеркала жидкой фазы над ним; соотношение экстрагент: сырье составляет от 1,5:1 до 3,5:1, время экстракции — 24 ч. Периодическое включение мешалки обеспечивает «ворошение» набухающего в экстрагенте сырья и способствует более высокому выходу извлекаемых веществ. По окончании экстракции экстракт сливают в сборник 17, после чего проводят еще две ступени экстракции с периодическим перемешиванием, время каждой — 12 ч. Экстракт со второй ступени сливают в сборник 17, откуда отправляют на концентрирование; третье извлечение поступает в сборник 18 и используется в качестве экстрагента для новой порции сырья.

Концентрирование экстракта, поступающего порционно или непрерывно из мерника 15, проводят в аппарате 14 при остаточном давлении 120-150 мм рт. ст. и температуре не более 60 °С. Повышение температуры на 2.3 °С приводит к снижению содержания в готовом продукте антоцианов на 5-10 %. Кроме того, ухудшаются органолептические свойства продукта, что объясняется ка-рамелизацией и частичным разложением сахаров.

Отогнанный спирт из вакуум-приемника 16/2 сливают в сборник 19 для повторного использования в качестве экст-рагента на второй и третьей ступенях экстракции. После отгонки основного объема экстрагента вакуум-приемник освобождают и проводят вакуумирование густого экстракта при вышеуказанных температуре и остаточном давлении до достижения массовой доли сухих веществ не менее 70 %. После достижения необходимой концентрации экстракт фасуют в потребительскую упаковку.

Отработанный жмых подсушивают по вышеописанному способу в экстракторе 9 и используют для получения брусничного пектина или аналога эмпетри-на соответственно.

Основы аппаратурно-технологичес-кой схемы переработки ягод брусники и водяники черной (рис. 2) с получением почти всех названных продуктов (см. табл. 1) внедрены на предприятии АО «Паланский пищекомбинат» (г. Палана, КАО). Сырье поступает в переработку не позднее трех дней с момента сбора. Длительное время сбора ягод и высокая производительность установки по переработке позволяют выдержать рекомендуемые для ягод семейства брусничных сроки хранения сырья до переработки [4].

Необходимо отметить, что сроки годности всех продуктов переработки составляют не менее одного года. Вследствие удаленности основных мест распространения брусники и водяники от зон развитого сельского хозяйства и промышленности продукты их переработки не содержат пестицидов и характеризуются крайне низким содержанием токсичных элементов. Кроме того, в производстве не используются химические способы консервации. Удовлетворительные микробиологические показатели связаны с высоким качеством сырья и быстрой переработкой его в продукты и полуфабрикаты.

Физико-химические показатели ряда продуктов переработки брусники и водяники приведены в табл. 2. Определение массовой доли (м.д.) сухих веществ, сахаров, витамина С, титруемой кислотности в пересчете на яблочную кислоту и дубильных веществ проводили по стандартным методикам анализа продуктов переработки плодов и овощей. Определение массовой концентрации общего экстракта (г/100 см3) и общей титруемой кислотности в пересчете на яблочную кислоту (г/100 см3) проводили по стандартным методикам анализа спиртсодержащей продукции*. Определение массовой доли флавонолов в пересчете на рутин и анто-цианов в пересчете на цианидин проводили по описанной ниже методике.

Как видно из табл. 2, сок водяники натуральный характеризуется самым низким из известных для соков содержанием

сухих веществ (6,7 %). Оригинальный вкус формируется отношениями сахаров к кислотности (2:1) и дубильным веществам (5:1). Сок натуральный содержит антоцианов в два раза больше, чем флаво-нолов, аскорбиновой кислоты — в пять раз меньше суммы флавоноидов. Сравнивая результаты по определению содержания флавонолов, антоцианов и витамина С в соке концентрированном (концентрирование в 9 раз) и соке сухом (концентрирование в 14 раз), следует отметить, что разработанный способ переработки обеспечивает максимальное сохранение в готовых продуктах витаминов Р и С.

Сок брусники натуральный производства г. Палана по содержанию сухих веществ, сахаров и кислот отличается от известных брусничных соков.

Аналогичным образом рассматриваемая технология была использована при создании мини-завода по комплексной переработке местного ягодного сырья в Ямало-Ненецком автономном округе в совхозе «Байдарацкий» [5].

С целью определения оптимальных температурных и временных режимов концентрирования при переработке брусники и водяники, а также для контроля качества полуфабрикатов и готовых продуктов была разработана собственная методика анализа флавоноидов [6], характеризующаяся высокой экспрессностью и использованием оборудования, доступного для любой контролирующей лаборатории.

Сущность метода заключается в спек-трофотометрическом определении флаво-ноидов в виде комплексов с хлористым алюминием. При этом возможно одновременное определение массовой доли фла-вонолов и антоцианов без предварительного хроматографического разделения.

В качестве стандарта используют фла-вонол или антоциан (ГСО рутина, квер-цетина, цианидина и т. д.), максимум поглощения комплекса которого наиболее соответствует максимуму поглощения комплекса с хлористым алюминием исследуемого образца. Построение калиб-

Таблица 2

Продукт М.д. сухих веществ, % (*г/100 см3) М. д. Сахаров,% М. д. флавонолов в пересчете на рутин, мг/100 г М. д.антоцианов в пересчете на цианидин, мг/100 г М. д. аскорбиновой кислоты, мг/100 г Титруемая кислотность в пересчете на яблочную кислоту, % (*г/100 см3) М.д. дубильных веществ, %

Брусника

Сок натуральный 8,1 5,8 20 40 20 1,5 0,8

Сок концентрированный 54,0 32,1 120 230 — 4,0 1,1

Сок спиртованный 6,0* — 16 32 — 1,2* 0,6

Пюре натуральное 14,5 8,6 — — 18 1,8 1,1

Экстракт пищевой 71,0 40,5 1100 4230 210 10,0 5,3

бодяника

Сок натуральный 6,7 3,2 36 70 23 1,6 0,6

Пюре натуральное 14,0 5,0 — — 21 1,9 0,8

Сок концентрированный 61,6 37,0 320 628 130 14,5 2,8

Сок спиртованный 5,1* — 28 56 — 1,2* 0,5

Сок сухой 94,6 57,1 495 970 310 22,4 4,3

* Стандартные методики анализа спиртсодержащей продукции.

ПИ]

НАПИТКИ 3

2005

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,3

0,1

0

Г \

\

\

1 Л

/ \\ \\

/ ____ / / \ * \ \

\ \

«■" - \

н \\ \ \

// /! \\

/ / у*- - \_ / * ■ \ \ \

Л. г-*' _ > \

— сок брусники, X = 416 нм,

' тах1 '

Хтах2= 560 НМ

— ЭПБ, Хтах1= 416 нм,

Хтах2= 560 нм

--сок водяники, Хтах1= 424 нм,

Хтах2= 578 нм

27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 X, -1000 см-1

Рис. 3. Спектры поглощения комплексов сока брусники, ЭПБ и сока водяники с хлористым алюминием

Таблица 3

Показатель | Нормы ТУ | КАО Якутия

Массовая доля сухих веществ, % Не менее 70,0 71,0 71,5

Титруемая кислотность в пересчете на яблочную кислоту, % Не менее 10,0 10,0 14,8

Массовая доля флавонолов в пересчете на рутин, мг/100 г Не менее 500 1100 1330

Массовая доля антоцианов в пересчете на цианидин, мг/100 г Не менее 4000 4230 8400

Массовая доля витамина С, мг/100 г — 210 260

ровочного графика проводится с применением раствора комплекса стандартного образца в 60%-ном водном этиловом спирте. Добавки кислот в процессе анализа не используются, так как сами исследуемые продукты характеризуются высокой кислотностью.

Согласно литературным данным, в составе флавонолов брусники найдены рутин и кверцетин [4], у водяники — квер-цетин, рутин, кемпферол, гиперозид, ави-кулярин [7]. Из антоцианов в бруснике присутствуют цианидин-3-ксилозилглю-козид и мальвидин-3,5-диглюкозид, для водяники характерны дельфинидин — и мальвидин-3-галактозиды [8].

Для количественного анализа соков применяют аликвоту 0,5 мл, ЭПБ — аликвоту 5 мл раствора, полученного растворением 0,5 г экстракта в 100 мл 60%-ного спирта. Спектры поглощения комплексов сока брусники и ЭПБ имеют одинаковые длины волн максимального поглощения 416 и 560 нм (рис. 3). Длины волн максимального поглощения комплекса сока водяники с хлористым алюминием — 424 и 578 нм.

Массовые доли флавонолов в пересчете на рутин или кверцетин и антоцианов в пересчете на цианидин с удовлетворительной погрешностью определяли по калибровочным графикам зависимости оптичес-

кой плотности от концентрации комплексов индивидуальных рутина, кверцетина, цианидина с хлористым алюминием (при длинах волн максимального поглощения 415, 430 и 577 нм соответственно). Относительные погрешности измерения содержаний флавонолов и антоцианов, вычисленные при доверительной вероятности (Р) 0,95, в диапазоне 10-100 мг/100 г, составляют 8,1 и 10,3 % соответственно, в диапазоне 100-1000 мг/100 г — 6,2 и 8,7 %, в диапазоне 1000-10 000 мг/ 100 г — 4,2 и 5,7 %.

Из вышеприведенных результатов анализа следует, что из рассматриваемых продуктов ЭПБ является лидером по содержанию флавонолов и антоцианов.

Известно, что высокое содержание Р-активных флавоноидов (1,1-1,9 %) и сопутствующих им биологически активных веществ в густом экстракте из шрота облепихи обусловливает его капилляроук-репляющее действие и противовоспалительную, болеутоляющую, гепатозащит-ную и противоязвенную активность [9]. Учитывая, что ЭПБ из брусники КАО содержит 1,1 % флавонолов и 4,2 % антоцианов, можно предположить, что он является потенциальным нутрицевтиком и способен обладать капилляроукрепляю-щим, противоотечным и гипотензивным свойствами.

Кроме фармацевтической перспективности ЭПБ представляет собой яркий и достаточно стойкий натуральный краситель и может найти широкое применение в производстве пищевых продуктов: его можно смешиваеть с эмульгированным пищевым белком в рецептурах йогурта, мороженого, кондитерского крема, придавая продукту цвет, запах и вкус, характерные для брусники.

ЭПБ — это густая непрозрачная масса (консистенция меда) темно-малинового цвета с запахом и вкусом, характерными для брусники. ЭПБ умеренно растворим в воде и спирте, хорошо смешивается с сахарным сиропом, окрашивая продукт, в зависимости от доли добавки, от нежно-розового до интенсивно малинового оттенка.

Таким образом, получение ЭПБ повышает рентабельность переработки брусники, дополняя перечень известных продуктов (соков и пюре) стабильным натуральным красителем и новой биологически активной и вкусоароматической добавкой.

Зависимость свойств ЭПБ от места произрастания ягоды приведена в табл. 3.

Якутский ЭПБ характеризуется большей кислотностью (в 1,5 раза), более высоким содержанием флавонолов (в 1,2 раза) и антоцианов (в 2 раза), чем ЭПБ из КАО.

Осуществленная впервые промышленная переработка водяники позволила в производственных масштабах получить новую продукцию, известную ранее только в национальном питании, в котором сок водяники используется для приготовления национальных блюд, а также при заболеваниях желудка и расстройстве кишечника, начиная с детского возраста. Известные из народной медицины свойства водяники как средства, успокаивающе действующего на нервную систему и помогающего при нервных расстройствах, гипертонии и других заболеваниях [7], демонстрируют очевидные перспективы применения водяники в качестве сырья не только для производства самостоятельных продуктов питания или лекарственных препаратов, но и для получения продуктов комбинированного состава с возможностью изменения направленного функционального действия, чему должна способствовать комплексная переработка этой ягоды.

Промышленная переработка брусники значительно расширяет ассортимент пищевых продуктов, обогащающих организм человека биологически активными веществами. Продукты переработки брусники: соки, пюре, жмых — это не только самостоятельные продукты, но и важнейшие компоненты сложнорецеп-турных безалкогольных напитков — бальзамов, разработка и производство которых в настоящее время являются од-

400 нм

500 нм

ним из приоритетных направлении в развитии пищевой промышленности [10]. В частности, брусничный натуральный сок служит компонентом одной из рецептур безалкогольного бальзама «Ключ к «Бий-ской крепости» — дегустационно узнаваемого продукта, обладающего ярко выраженными органолептическими свойствами и сбалансированной рецептурой растительного сырья [11]. Качество данного бальзама может быть еще выше при введении в рецептуру ЭПБ. Использование ЭПБ позволяет значительно сократить расходные коэффициенты по этиловому спирту и приготовить бальзам с содержанием спирта менее 1,0 % с полным сохранением органолептических и биологически активных свойств продукта.

Предлагаемая технология комплексной переработки ягод брусники и водяники гарантирует возвращение к «здоровой пище», забытой с появлением на рынке синтетических продуктов и напитков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лобанова А.А., Сысолятин С.В, Махова Е.А., Будаева В.В. Биологически активные добавки к пище из плодово-ягодных жомов и шротов// Материалы Всерос. семинара 28-29 марта 2002 г. «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья». — Барнаул: Изд-во АГУ, 2002.

2. Саратиков А.С, Краснов Е.А. и др. Перспективы создания природных антиконвульсантов //Тез. Всесоюз. конф. «Новые лекарственные препараты из растений Сибири и Дальнего Востока». 1989. Вып. 2. — Томск: Изд-во ТГУ.

3. Василишин М.С, Виноградов А.К, Лобанова АА,

Светлов С.А., Папин В.С. Способ сушки жома облепихи: Патент № 2002422 РФ. Заявл. 29.07.91. Опубл. 15.11.93, Бюл. №41-42.

4. Цапалова И.Э, Губина М.Д, Позняковский В.М. Экспертиза дикорастущих плодов, ягод и травянистых растений. — Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000.

5. Лобанова А.А., Бобрышев В.П., Будаева В.В, Зимина В.Г. Комплексная программа создания мини-заводов по производству адаптогенов для севера Тюменской области и Алтайского края// Тез. докл. Второй Межд. науч.-практ. конф. 1721 октября 1995 г. «Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых и нефтяных месторождений в арктических регионах». — Надым: Изд-во РАО «Газпром», 1995.

6. Лобанова А.А, Будаева В.В, Сакович Г.В. Исследование биологически активных флавонои-дов в экстрактах из растительного сырья// Химия растительного сырья. 2004. № 1.

7. Минаева В.Г. Лекарственные растения Сибири. — Новосибирск: Наука, 1991.

8. Танчев С.С. Антоцианы в плодах и овощах. — М.: Пищевая промышленность, 1980.

9. Саратиков А.С., Сабынич Л.В., Сибилева Л.А., Будаева В.В., Лобанова А.А. и др. Противовоспалительные и антиагрегантные свойства густого экстракта шрота облепихи//Фитотера-пия. — Кемерово: Народная медицина, 1993, №1.

10. Беличенко А.М. Современные технологии и тенденции в развитии безалкогольной индустрии напитков в России//Вопросы питания. 1999. №2.

11. Будаева В.В, Егорова Е.Ю. Безалкогольный бальзам «Ключ к «Бийской крепости»: рецептура, технология, экспертиза//СИБ Ликероводочное производство и виноделие. 2004. №10. ¿jut"

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное учреждение ВСЕРОССИИСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПИВОВАРЕННОЙ, БЕЗАЛКОГОЛЬНОЙ И ВИНОДЕЛЬЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

(ГУ ВНИИ ПБ и ВП)

Объявляет прием

в аспирантуру по специальности

05.18.07 «Биотехнология пищевых продуктов

(алкогольная и безалкогольная промышленность)»

Телефон для справок (095) 246-87-82

ПИ

||д||ткиГ 3

2005