CC BY
453
УДК 54:630.8:664
ВЫДЕЛЕНИЕ ПЕКТИНА ИЗ НЕТРАДИЦИОННОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО В КОНДИТЕРСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
© А.А. Ефремов1, Т.А. Кондратюк2
1 Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия) E-mail: [email protected]
2Красноярский государственный торгово-экономический институт, ул. Л. Прушинской, 2, Красноярск, 660075 (Россия)
Из коры лиственницы сибирской кислотным гидролизом выделен пектин, исследованы его физико-химические и желирующие свойства.
Ключевые слова: лиственница, пектин, кондитерские изделия.
Введение
Пектиновые вещества широко распространены в природе: они встречаются в плодах, соках, корнях, стеблях большинства растений. Сырьем для получения пектина традиционно служат свекловичный жом, яблочные выжимки, корочки цитрусовых [1] и др.
Наибольшей ценностью по своей студнеобразующей способности обладают пектиновые вещества, выделенные из яблок (10-15% пектинов), корочек цитрусовых (20-35% пектинов), подсолнечника (15-25 % пектинов) и свеклы (10-20% пектинов). При правильном ведении технологических процессов они дают студни, обладающие необходимой прочностью.
Менее ценные в этом отношении пектины черной смородины, крыжовника, рябины, айвы, абрикоса, персика, сливы, клюквы. Они дают студни, обладающие меньшей прочностью.
Количественное содержание пектина в плодах и растениях колеблется в довольно широких пределах 0,828% к сухой массе растительного сырья. Желирующий пектиноводный концентрат, полученный из яблочных выжимок, содержит 10-16% сухих веществ, свекловичный жом содержит 10% пектина, но он имеет невысокое качество.
Пектины (Е 440) - сложные полисахариды. По существующей номенклатуре пектиновыми веществами называются встречающиеся в растениях производные углеводов, которые состоят из остатков D-галактуроновой кислоты, а их соли - нормальными или кислыми пектатами. Пектиновые кислоты, часть карбоксильных групп которых в различной степени этерифицирована и нейтрализована, называются пектинами.
Пектин широко применяется в различных областях народного хозяйства. Так, например, возможно использование пектина для технических целей: для шлихтования тканей, проклеивания бумаг, загустителей в косметике, производстве красок и т.д. [2].
Пектин применяют в медицине как средство для выведения из организма человека солей тяжелых металлов. Благоприятное воздействие оказывают пектиновые вещества против вредного влияния ионизирующих излучений. Кроме того, пектин применяется для приготовления заменителей крови.
Однако основное применение пектин находит в пищевой промышленности, где он используется в качестве загущающих веществ для производства джемов, желе, мармелада; в хлебопечении - для предотвращения черствления хлебобулочных изделий; при производстве соусов и мороженого в качестве эмульгирую-
* Автор, с которым следует вести переписку.
щего агента; для увеличения вязкости замутненных овощных соков, очень эффективно предотвращая распад суспензии; для стабилизации кисломолочных продуктов [3]; при консервировании для предотвращения коррозии оловянных консервных банок и т. д.
Основные поставщики пектинов на мировом рынке - НегЬБйшШ&Рох KG (Германия), Copenhagen pectin A.S. (Дания), New Foods Industry SPA (Италия), Obipektin A.G. (Швейцария), Pomosin GmbH (Германия), Sapa Dafa Associes (Франция) [4]. В настоящее время все сырье в Россию импортируют, цена пектина сегодня 1314€ за 1 кг.
Учитывая, что в настоящее время производство пектина в России отсутствует, получение относительно дешевых пектиновых веществ позволило бы решить в какой-то степени эту проблему.
Несмотря на то, что пектин выделяют из традиционного сырья, для его получения может использоваться и нетрадиционное сырье.
Кора лиственницы сибирской, являясь в настоящее время обременительным отходом при лесозаготовках, может служить альтернативным источником получения пищевого пектина - дефицитного продукта для отечественной пищевой промышленности.
Проведенный анализ литературных источников [5, 6] показал следующее. Содержание пектиновых веществ в коре лиственницы на высоте 1,3 м в среднем составляет 4-5% (колебания 3-10%). В коре ствола находятся 8-9% пектиновых веществ. Особенно много пектиновых веществ обнаружено в лубе (11-16%), значительное содержание пектинов - в коре (7%). Собственно в древесине пектинов немного (0,5%), причем хвойные породы содержат пектинов меньше, чем лиственные. Наибольшее их количество находится в коре молодых частей дерева, составляющих отходы лесозаготовок. Установлено, что содержание пектинов с возрастом дерева уменьшается. Содержание пектиновых веществ увеличивается по высоте ствола от комля к вершине.
Пектин, вырабатывается по различным производственным схемам, в которых, как правило, имеются три основные операции: извлечение пектина из подготовленного сырья, его очистка, выделение и сушка.
До сих пор нет еще достаточно точных методов выделения пектинов из растительных материалов и их очистки от сопутствующих углеводов, поэтому строение пектинов окончательно не установлено. По современным взглядам, пектиновые вещества представляют собой коллоидный комплекс полисахаридов кислого характера, состоящий из арабинана, галактана и так называемой. пектиновой кислоты.
Молекулярная масса пектинов колеблется от 3000 до 300 000. Пектины различных источников отличаются друг от друга по свойствам. Лучше других изучены пектины плодов и овощей, пектины древесины и коры изучены меньше.
Таким образом, цель работы состоит в том, чтобы выделить пектин из нетрадиционного растительного сырья, оценить его свойства и возможность применения в пищевой промышленности.
Экспериментальная часть
Кора лиственницы сибирской подвергалась кислотному гидролизу - экстрагированию с применением 1,1% HCl в течение 1-2 ч при температуре 60-70 °С. Для осаждения пектина из солянокислой вытяжки в качестве осадителя был применен этиловый спирт, так как пектин нерастворим в спирте. После отделения пектинового осадка спирт направляется на дистилляцию. Полученный чистый спирт можно повторно использовать в производстве.
Максимальный выход пектина с одновременным сохранением его желирующих свойств достигается при оптимальной сбалансированности основных экстракционных параметров: рН гидролизующего агента, температуры и длительности экстракции.
Попутно пектиновым веществам в коре лиственницы определялись вещества, экстрагируемые горячей водой (60 °С). Между ними имеется линейная прямо пропорциональная связь. Следовательно, анализ коры на содержание в ней пектиновых веществ сводился к определению количества водоэкстрактивных веществ (при 60 °С), что дает большую экономию времени.
Качество полученного продукта контролируется по следующим показателям: степень этерификации, молекулярная масса, содержание D-галактуроновой кислоты и т.д., а также на соответствие пектина критериям чистоты согласно законодательству о пищевых добавках, европейским нормам, положениям Объединенного комитета Всемирной организации здравоохранения и Продовольственной и сельскохозяйственной организации (WHO/PAO). Применение пектинов в качестве пищевых добавок разрешено во всех странах. В соот-
ветствии с рекомендациями ШСРЛ допустимая концентрация пектина как пищевой добавки не ограничена. В соответствии с «Гигиеническими требованиями по применению пищевых добавок» СанПиН 2.3.2.1293-03 (прил. 3, разд. 3.6) пектин применяют в пищевых продуктах согласно ТИ. Рекомендуемое суточное потребление пектиновых веществ в рационе взрослого человека составляет 5-6 г.
Растворы пектиновых веществ отличаются значительной вязкостью. Это является важным показателем, так как между вязкостью и желирующей способностью пектина существует определенная зависимость.
Измерение вязкости было проведено в капиллярном вискозиметре типа ВПЖ-2 с внутренним диаметром капилляра 1,31 мм. Расчеты проведены по формуле
9,807
где К - постоянная вискозиметра (0,2948 мм2/с2); 1 - время истечения жидкости, с; g - ускорение свободного падения, м/с2; п - вязкость раствора, Н/м2.
Вязкость пектиновых растворов зависит от молекулярной массы пектиновых веществ. Для определения молекулярной массы был применен вискозиметрический метод. Вязкость растворов линейных ВМС связана с их концентрацией и молекулярным весом формулой Штаудингера:
(П-По ) „ Пуд „
---------- = КмСМ, или -С- = КмМ ,
По С
где п - вязкость раствора; по - вязкость растворителя; С - концентрация, выраженная в молях/л; Км - постоянная для данного полимера; М - молекулярный вес полимера.
Известно, что пектины не являются однородными по составу и свойствам. Для выяснения фракционного состава выделенных из коры лиственницы пектиновых веществ было проведено их фракционирование с использованием стеклянной колонки длиной 0,8 м и сахарозы в качестве сорбента. Элюирование проводилось смесью этилового спирта и воды, взятых в различных соотношениях, начиная с соотношения 1 : 1. Каждая последующая фракция извлекалась смесью, содержащей меньше спирта и больше воды, чем предыдущая.
Решающее значение для практического применения пектина в кондитерской промышленности имеет его студнеобразующая способность. Необходимое для образования студня количество пектина зависит от количества воды, сахара, кислоты. Поэтому были проведены соответствующие эксперименты для изучения влияния влажности пектиновых студней, количества дегидратирующего агента и концентрации водородных ионов на показатели студнеобразования пектина, выделенного из коры лиственницы.
Пектин проверялся на желирующую способность увариванием с сахаром с последующим определением качества получаемых студней на приборе Валента ( в соответствии с ГОСТами).
На основе пектина из коры лиственницы проведены опытные варки конфет на желейной основе. Для получения мармеладного студня были использованы пектин (до 1%) с содержанием сухих веществ 55-80%, сахар (7-10 частей на 1 часть пектина) и лимонная кислота. Компоненты смешивались при температуре 6090 °С, перемешивались в течение 2 мин, затем было внесено оставшееся рецептурное количество сахара, и далее процесс проведен в соответствии с технологической инструкцией. При последующем медленном охлаждении в течение 20-120 мин образовывался студень.
Качество полученного мармелада оценивали следующими способами: кислотность - титрованием щелочью; желирующую способность - после уваривания с сахаром и выдержки во времени (25-30 мин) - по определению прочности студня на приборе Валента.
В уваренных мармеладных массах определялось содержание сухих веществ - рефрактометром, кислотность - титрованием щелочью, РВ - феррицианидным методом, а также качество образующихся после охлаждения студней.
Обсуждение результатов
В результате кислотного гидролиза из коры лиственницы сибирской были выделены пектиновые вещества. Сухой пектин имеет вид однородного серовато-белого порошка, обладает слабокислым вкусом, не
имеет постороннего привкуса и запаха. По органолептическим свойствам он не уступает яблочному. Водный 1% раствор этого пектина имеет рН от 3,0 до 3,2.
Фракция пектиновых веществ коры лиственницы по весу составляет 2-7% от абсолютно сухой навески коры, что достаточно для промышленного выделения.
Физико-химические показатели пектинов, выделенных из коры лиственницы сибирской и традиционного сырья, приведены в таблице 1.
Как показывают данные таблицы, выделенный из коры лиственницы пектин обладает удовлетворительным студнеобразованием. Проведенные вычисления молекулярной массы пектина, выделенного из коры лиственницы сибирской, показали, что эта величина соответствует значению 14130. Следует отметить, что с увеличением молекулярной массы возрастает желирующая способность пектина.
Полноценный пектин обладает большой гидрофильностью и растворим в воде при комнатной температуре. Растворимость его увеличивается при повышении степени этерификации метиловым спиртом и уменьшении величины молекулы. По результатам проведенных экспериментов обнаружено, что пектин, выделенный из коры лиственницы сибирской, растворим в воде почти полностью, доля нерастворенных веществ (пектовых кислот, полностью лишенных метоксильных групп) составляет не более 10%. Пектиновые кислоты растворяются в воде с образованием растворов, отличающихся большой вязкостью, которая зависит прежде всего от степени полимеризации молекул, а также от сил взаимодействия между молекулами пектиновых веществ и молекулами воды. Абсолютная вязкость растворов пектина увеличивается с повышением концентрации пектина. Как показывают проведенные исследования, в водных растворах пектина (без сахара и с сахаром) при переходе от очень малых концентраций пектина (0,03%) к более высоким (1%) их вязкость возрастает (в 1,5-2 раза).
На желирующую способность пектина оказывает влияние его химическое строение, а именно степень эте-рификации пектина, которая, в свою очередь, зависит от количества замещенных карбоксильных групп. Обнаружено, что в пектине, выделенном из коры лиственницы, остатки метилового спирта содержат не более 50% карбоксильных групп (содержание метоксильных групп 5,1%), т.е. это низкоэтерифицированный пектин.
Содержание в выделенном из коры лиственницы сибирской пектине до 0,3% ацетильных групп не оказывает существенного влияния на его студнеобразующую способность.
Фракционный состав пектиновых веществ, выделенных из коры лиственницы, представлен 6 фракциями. Результаты фракционирования приведены на рисунках 1 и 2.
По приведенным данным можно сделать вывод, что каждая последующая фракция пектина отличалась от предыдущей более высокой молекулярной массой, и вместе с тем, в каждой последующей фракции увеличивалась вязкость растворов.
Таблица 1. Физико-химические показатели пектина
Показатели Пектин
свекловичный яблочный лиственничный
Влажность, % 1,20 11,9 13,5
Активная кислотность 1% раствора пектина 3,0 3,2 3,2
Содержание пектина по пектату Са, % 72,0 60,4 60,6
Степень этерификации, % 40,0 73,9 43,2
Содержание свободных карбоксильных групп, % Содержание, % 45,6 17,6 32,6
метоксильных групп 5,5 7,4 5,1
ацетильных групп 8,0 0,4 0,3
Внутренняя вязкость 2,2 3,1 3,5
Средняя молекулярная масса 28000 35480 14130
Содержание общей золы, % 1,2-1,7 3,4 3,5
Растворимость, % 90,0 90,0 90,0
Прочность 15%-ного сахаропектинового студня, кПа 56,7 60,0 69,3
Содержание свободных минеральных кислот Отсут Отсут Отсут
Содержание свинца Отсут Отсут Отсут
Содержание мышьяка, мг/кг 50 50 <50
фракции
фракции
Рис. 1. Изменение молекулярной массы в результате Рис. 2. Количественное содержание фракций
фракционирования пектина, выделенного из коры пектина, выделенного из коры лиственницы
лиственницы сибирской
Пектин традиционно применяется в кондитерском производстве для изготовления мармеладных масс, поэтому было важно проанализировать данный вид сырья, полученного из коры лиственницы, на предмет пригодности использования при приготовлении мармелада.
Мармелад обладает энергетическими свойствами, главное из которых - утоление голода. А высокая же-лирующая способность пектинов, их свойство собирать, словно губка, и обволакивать вредные химические вещества, имеющиеся в организме, позволяют считать мармелад не только питательным, но и одновременно дезинфицирующим средством.
Предварительно, перед увариванием, пектин был помещен в ванну с проточной водой температурой 1525 °С для промывания и замачивания, которое длилось 1-3 ч. При замачивании происходит набухание пектина. Набухший студнеобразователь быстрее растворяется при уваривании сиропа.
В результате проведенных экспериментов обнаружено, что при концентрации пектина в растворе 0,6-1% количество сахара должно составлять 65%.
В образовании пектинового студня кислота играет важную роль. Было изучено влияние лимонной кислоты на студнеобразование пектина (табл. 2).
Как видно из таблицы, оптимум рн, при котором образуется наиболее прочный студень влажностью 21%, соответствует 3,36. Важно отметить, что количество добавляемой лимонной кислоты зависит от содержания сахара в студне.
Отформованный мармелад имеет повышенную влажность, нежную, липкую консистенцию. Для придания этим изделиям товарного вида их подвергли сушке. Основные изменения, которые претерпел мармелад в процессе сушки, следующие:
1. Влажность мармелада уменьшилась с 29-31% (начальная влажность) до 22-25%;
2. Прирост РВ вследствие инверсии сахарозы составил 50-100% к первоначальному содержанию их в мармеладе;
3. Содержание кислоты и рн значительно изменилось;
4. Пектиновые вещества гидролизуются (при сушке мармелада количество метоксильных групп уменьшилось до 1,1% массы пектина);
5. Изделия уменьшились в объеме;
6. на поверхности изделий вследствие кристаллизации сахарозы образовалась корочка.
В результате проведенной опытной варки конфет на желейной основе с использование пектина, полученного из коры лиственницы сибирской, экспертами признано хорошее качество продукта. Пектиносодержащий мармелад считается более полезным, чем агарный. У мармелада из пектина излом полупрозрачный, слегка мутноватый, не стеклянный, а на агаре - прозрачный и стекловидный. Консистенция мармелада на пектине студнеобразная, плотная, поддающаяся резке ножом. По вкусу «свежий» мармелад отличается от «полежавшего». Он нежнее и ароматнее. Поэтому, хотя срок его хранения и три месяца, самый вкусный мармелад - не старше месяца.
Таблица 2. Влияние рН на студнеобразование пектина
Количество добавленной лимонной кислоты, г на 200 г мармеладной смеси Влажность, % рН Содержание редуцирующих сахаров, % Прочность студня РЛ04, Па Время образования студня, ч
0,1 21,0 3,36 44,4 0,37 1,1-1,2
0,3 23,2 3,21 47,2 0,21 0,5-0,6
0,5 20,4 3,12 51,8 0,26 1,0-1,1
0,7 22,0 3,10 55,7 0,22 0,5-0,6
1,0 22,8 3,03 57,5 0,17 0,5-0,6
Следует отметить, что согласно нормативным документам срок годности сухого пектина составляет два года. Он должен храниться в сухом месте, быть защищен от прямых солнечных лучей и длительного воздействия тепла, емкости должны быть плотно закрыты.
Заключение
Таким образом, из коры лиственницы сибирской в лабораторных условиях выделен пектин в чистом виде. Проведенные расчеты показали, что из 1 т абсолютно сухой коры в среднем можно получить 40-50 кг пектина. Несмотря на то, что из коры лиственницы удалось выделить до 7% пектина, что несколько меньше, чем из основного свекловичного или яблочного сырья, можно констатировать, что по основным характеристикам он вполне пригоден для кондитерского производства.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что использование многотоннажного отхода деревообрабатывающей промышленности - коры лиственницы сибирской - позволяет:
- получить пищевой пектин из непищевого сырья;
- уменьшить до некоторой степени остроту проблемы использования коры;
- расширить ассортимент сырья для производства пищевого пектина.
Список литературы
1. Бузина, Г.В., Кибрик Э.Д., Парфененко В.В Производство свекловичного пектина. М., 1974. C. 1-26.
2. Технология кондитерских изделий. М., 1978. 446 с.
3. Сарафанова Л.А. Применение пищевых добавок. Технические рекомендации. 6-е изд., испр. и доп. СПб., 2005. 200 с.
4. Справочник по товароведению продовольственных товаров / под ред. Т.Г. Родиной. М., 2003. 608 с.
5. Иванова Н.В., Остроухова Л.А. Бабкин В.А. и др. Комплекс мономерных фенольных соединений коры лиственницы // Химия растительного сырья. 1999. №4. С. 5-7.
6. Пермякова Г.В. Пектин из коры лиственницы // Изучение и пути использования древесной коры. Красноярск, 1985. С. 80-82.
7. Walter R.H. et al. The Chemistry and Technology of Pectin. Academic Press Inc., Harcourt Brace Jovanovich, Publishers, 1991.
8. Valet R., Schoon A. Herstellung und Anwendung von Handelspektin // Internationale Zeitschrift fur Lebensmittel-Technologie und Verfahrenstechnik. 1983. №3.
9. Neukom H., Pilnik W. et al. Gelier-und Verdickungsmittel in Lebens-mitteln // Gelling and Thickening Agents in Foods. Forster Verlag AG, Zurich, 1980.
10. Weiss H.-O. Niederveresterte Pektine: Eigenschaften, Neuent-wicklungen, Anwendungen // Die Industrielle Obst-und Gemusever-arbeitung. 1979. №9.
11. Кочеткова А.А., Колесное А.Ю. Научно-техническое сотрудничество в области производства и использования пектина // Пищевая промышленность. 1992. №6.
12. Фоке Г.Ф., Асмуссен Р., Фишер К., Эндресс X-У. Затраты и рентабельность переработки яблочных выжимок // Пищевая промышленность. 1992. №7
13. Кочеткова А.А. Некоторые аспекты применения пектина // Пищевая промышленность. 1992. №7.
14. Производственное объединение «Хербстрайт унд Фоке КГ» (ФРГ): многолетний опыт в области получения и применения пектина // Пищевая промышленность. 1992. №8
15. Колесное А.Ю. Методы оценки и качества сухих яблочных выжимок // Пищевая промышленность.1992. №10.
Поступило в редакцию 21 апреля 2007 г.
