Методология проектирования композиционного плодового напитка радиопротекторного действия

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 634.1/663.88

Методология проектирования композиционного плодового напитка радиопротекторного действия

И. А. Мачнева,

канд. с.-х. наук;

И. А. Ильина,

д-р техн. наук, профессор;

А. М. Богус,

д-р техн. наук;

Н. В. Дрофичева,

канд. техн. наук;

М. В. Филимонов

Северо-Кавказский зональный

научно-исследовательский

институт садоводства

и виноградарства

Положительное влияние на человеческий организм биохимических компонентов, содержащихся в отдельных продуктах питания, все чаще становится предметом многочисленных исследований. Научный прогресс позволяет легче находить связь между биохимическими структурами, которые в естественном виде встречаются в пище, и их влиянием на здоровье. Из-за увеличившихся затрат на медицинскую помощь возрастает интерес человека к самостоятельному поддержанию работоспособности своего организма. Этому способствует разработка функциональных продуктов питания.

Ухудшение экологической обстановки с каждым годом ведет к большему накоплению ионов тяжелых металлов в организме человека. Выведение из организма таких радионуклидов, как ртуть, свинец, мышьяк, возможно только при употреблении радиопротекторов [1]. Способность образовывать комплексы с поливалентными металлами — комплексо-образующая способность — важнейшее свойство пектина, определяющее возможность его использования в лечебно-профилактических целях в качестве детоксиканта тяжелых металлов и радионуклидов[2, 3].

С целью создания лечебно-профилактических напитков радиопротекторного действия нами разработана методология проектирования композиционного функционального продукта как совокупность принципов, методов, способов, форм и алгоритмов решения для достижения целей [4].

При проектировании рецептурной композиции плодового напитка применен проблемно-ориентированный подход, позволяющий совмещать задачи удовлетворения медико-биологических требований и соблюдения основных технологических принципов при обогащении пищевых продуктов эссенциальны-ми нутриентами путем моделирования и конструирования пищевых систем.

При этом основное внимание уделялось биологической эффективности продукта [5].

Проектирование композиционных напитков радиопротекторного действия базируется на следующих принципах:

• научно обоснованный подбор пек-тинсодержащего сырья в соответствии с требованиями к функциональному химическому составу пектинов, биохимическому составу сопутствующих веществ, снижающих качество целевого продукта (пектина) либо затрудняющих ведение технологического процесса;

• снижение химической составляющей в технологии производства пектина за счет применения электрофизических методов на разных технологических стадиях, включая процесс экстро-осаждения (электрокоагуляции-электрофлокуляции), что позволяет выделять фракции пектина с высокими комплексообразую-щими свойствами;

• научно обоснованный подбор биологически ценного плодово-ягодного сырья как источника

22 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2014

функциональных ингредиентов, включающих такие микро-нутриенты, как аскорбиновая кислота, полифенолы, катехин, органические пищевые кислоты, в-каротин, калий, кальций, магний;

• оптимизация соотношения качества и количества рецептурных компонентов на основе требований сбалансированности, оптимальной биологической, энергетической и пищевой ценности с учетом органолептических показателей рецептурных компонентов.

При проектировании композиционных напитков радиопротекторного действия оптимизация параметров разрабатываемого продукта проводится путем моделирования рецептуры с использованием интегрального критерия по широкому кругу показателей с учетом суточной нормы потребления [6]. Реализуемый алгоритм разработки новой рецептуры приведен в виде модели на рис. 1.

Разработка продуктов, отвечающих заданным требованиям, заключается в обеспечении сбалансиро-

ванного химического состава. Задача оптимизации органолептических характеристик и биологических свойств разрабатываемой рецептуры напитка решалась варьированием состава ингредиентов, включающих шесть компонентов.

На первом уровне модели находится рецептура (продукт) — рецептурная смесь, включающая рецептурные компоненты.

На втором уровне находится компонент — ингредиент рецептурной смеси, содержание которого задается в г/100 г рецептуры (продукта).

На третьем уровне — элементы (макропитательные вещества, содержание которых задается в г/100 г компонента).

На четвертом уровне находятся элементы — микропитательные вещества, входящие в состав ма-кропитательных, содержание которых задается в г/100 г базового элемента [7].

Расчеты по выведению оптимального соотношения рецептурных компонентов производились с помощью компьютерной программы [8]. Вычисления сводятся к квали-

Напиток безалкогольный обо гащенный «Капля здоровья»

Яблочное пюре

айвы японской

Аскорбиновая кислота

Полифенолы

Пектиновые вещества

Кальций

Магний

Калий

Железо

Аскорбиновая кислота

Пюре из плодов Порошок пектиновыи

.г - г . . Облепиховое пюре

айвы аппишпи НИЗКОЭТврИфИЦИрОВаННЫИ

Полигалактуроновая кислота

Полифенолы

Пектиновые вещества

Свободные карбоксильные функциональные группы

в-Каротин

Метаксилированные карбоксильные функциональные группы

Аскорбиновая кислота

а-Токоферол

в-Каротин

а-Токоферол

Калий

Магний

Рис. 1. Модель рецептуры напитка «Капля здоровья»

метрической мультипликативной модели:

D

п

d,

где D — обобщенный критерий моделирования, D [0,1]; di — частные критерии по каждому из ^фак-торов.

Для нахождения частного критерия используется функция желательности Харрингтона. Частная функция желательности программируется в соответствии с эталонным значением данного компонента. При проектировании напитка радиопротекторного действия за эталон, равный 1,0, принимают значения среднесуточной потребности человека в функциональных ингредиентах. Расчет соотношения рецептурных компонентов производится по уравнению материального баланса (для углеводов, витаминов, минеральных веществ):

Ь =

£ ЬгкСкХк к = 1

£ С кХк к = 1

где ск — массовая доля более сложного образования компонентов в хк-ингредиенте смеси; Ьк — массовая доля ¿-го компонента, входящего в состав сложного макропитатель-ного компонента ск в хк-ингредиенте рецептурной смеси.

Основные биохимические показатели плодов и ягод, использованных при отборе сырья для производства напитка и пектина, представлены в табл. 1. По биохимическим и ор-ганолептическим показателям в качестве рецептурных компонентов для производства плодового напитка использовали плоды яблони сорта Самородок, облепихи — сорта Дончанка, айвы японской — сорта Овальная.

Не все виды пектинов имеют высокую комплексообразующую способность, в связи с чем для этих целей необходимо использовать только те фракции пектинов, которые имеют низкую степень этери-фикации при высокой уронидной составляющей. Поэтому технологии, обеспечивающие получение пектиновых веществ с заранее заданным

г!

ш §

0

1 <

§

ш I-

п

5 • 2014

ПИВО и НАПИТКИ 23

Таблица 1

Объекты исследования Общие сахара, % Титруемые кислоты, % Аскорбиновая кислота, мг/100 г Полифенолы, мг/100 г Р-Каротин, мг/100 г а-Токоферол, мг/100 г Пектиновые вещества, %

Яблоня

Айдаред 8,8 0,82 11,0 95,1 — — 1,06

Полден БИ 10,9 0,47 5,4 90,4 — — 0,77

Корей 10,6 0,42 7,6 152,0 — — 1,02

Кубанское багряное 9,4 0,62 14,5 111,3 — — 0,94

Прикубанское 9,2 0,54 17,2 115,3 — — 0,95

Ренет Симиренко 8,7 1,00 10,3 91,4 — — 0,87

Флорина 8,7 0,67 8,3 93,6 — — 0,83

Самородок 10,5 1,5 15,8 261,0 — — 0,97

Редкие садовые культуры

Облепиха:

Дончанка 8,7 1,77 180,0 30,2 3,6 10,6 0,66

Прима Дона 7,8 1,47 67,0 25,4 3,5 13,1 0,57

Русская красавица 8,5 2,20 64,0 17,5 3,5 8,7 0,48

Айва японская:

Урожайная 2,3 6,0 193,6 380,8 0,5 — 0,98

Признание 2,1 5,5 124,3 307,9 0,4 — 1,17

Овальная 2,5 6,5 105,6 398,6 0,6 — 0,94

химическим составом, в том числе низкоэтерифицированных, совершенствуются.

Основные задачи совершенствования технологий производства пектинов — высокое качество, а также прогнозируемость состава и свойств конечного продукта, экологическая безопасность технологических процессов и их энергоэффективность. Применение электрофизических процессов для осаждения (нейтрализации заряда), агломерации и уплотнения флокул отличается меньшей энергоемкостью производства, отсутствием сложных и дорогостоящих

Таблица 2

Содержание

Наименование ингреди- гостав % ента , 0 витаминов, мг/100 г полифенолов, пектиновых Р-каротина,

С Р Е мг/100 г веществ, % мг/100 г

Яблоки, Х1 10 8,4 186,6 — 98,0 1,0 —

Айва японская, Х2 9 80,0 200,0 400,0 1,2 —

Облепиха, Х3 10 80,6 14,6 10,4 196,0 0,7 2,0

Низкоэтерифицированный 1 пектин, Х4 — — — — 100 —

Вода, Х5 30 — — — — — —

Сироп яблочный, Х6 40 2,0 24,0 — 35,0 — —

Аскорбиновая кислота У = 0,08Х1 + 0,8Х2 + 0,8Х3 + 0,02Х6 = 16,8 мг/100 г; а-Токоферол У = 0,01Х3 = 1,0 мг/100 г; Полифенолы У = 2,8Х1 + 6,0Х2 + 2,1Х3 + 0,7Х6 = 105,1 мг/100 г; Пектиновые вещества У = 0,(01Х1 + 0,012Х + 0,007Х3 + Х,+0,007Х6 = 1,488 г; Р-Каротин У = 0,02Х3 = 0,6 мг/100 г.

24 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2014

щ

промывок, возможностью фракционирования пектина по степени эте-рификации и молекулярной массе. Использование метода электрокоагуляции является перспективным направлением развития технологии производства пектинов.

С целью выделения пектинов с низкой степенью этерификации осаждение пектина из пектиновых экстрактов осуществлялось в импульсном вращающемся электрическом поле, генерирующемся модернизированной стендовой установкой с измененной геометрией конденсаторной сборки и новой конструкцией генератора [8]. В качестве пектинсодержащего сырья использованы плоды сорта Айдаред, отличающиеся сбалансированным соотношением анионов и катионов, оптимальным для электрофизического осаждения.

Определены технологические режимы импульсного вращающегося электрического поля, позволяющие получать пектины с низкой степенью этерификации, а именно:

• напряжение на электродах и — 3,5-4 В/м;

• плотность тока, протекающего через раствор, — 220 мА/см2;

• частота следования импульсов вращающегося электрического поля для нейтрализации заряда — 15 кГц, для агломерации пектиновых флокул и их уплотнения — 25 кГц;

• время коагуляции-флокуляции — 60 мин.

Для определения комплексообра-зующей способности электроосаж-денных пектинов использованы следующие ионы металлов: РЬ2+,Сё2+, Бг2+, Zn2+, Н§2+, №2+, которые выбраны по причине своего значительного токсического действия на человеческий организм [2, 5].

На рис. 2 показаны сравнительные данные комплексообразующей способности пектинов, полученных традиционным спиртовым способом и электрокоагуляцией в импульсном высокочастотном электрическом поле.

Экспериментально доказано, что яблочный пектин, омыленный щелочью и осажденный во вращающемся электрическом поле, обладает в 7-40 раз более высокой комплексообразующей способностью по отношению к исследуемым

Таблица 3

Ингредиент Состав, % Минеральный состав, мг/100 г

Са Mg K

Яблоки (Самородок), Х1 10 8,4 6,6 100,0

Айва японская (Овальная), Х2 9 9,0 6,0 110

Облепиха (Дончанка), Х3 10 9,2 4,6 94,4

Порошок пектиновый низкоэтерифицированный, Х4 1 — — —

Вода, Х5 30 — — —

Сироп яблочный 35%, Х6 40 7,5 5,4 90,0

Кальций У = 0,08Х1 + 0,09Х2 + 0,09Х3 + 0,075Х6 = 4,76 мг/100 г; Магний У = 0,06Х1 + 0,06Х2 + 0,04Х3 + 0,054Х6 = 3,16 мг/100 г; Калий У = 1,0Х1 + 1,1Х2 + 0,9Х3 + 0,9Х6 = 55,5 мг/100 г.

г!

ш

Пектин Калий Магний Кальций Токоферолы Полифенолы Витамин С

0,2

0,4

0,6

Оценка, балл

0,8

1,0

| Содержание в проектируемом продукте Ц Суточная норма

Рис. 3. Оценка биологической ценности проектируемой рецептуры напитка «Капля здоровья» по балльной шкале

1,2

0

металлам, чем пектин, осажденный традиционным спиртовым способом.

Разработана технологическая инструкция по производству порошка пектинового низкоэтерифицирован-ного комплексообразующего (ТИ 9169-011-00668034-2013).

Получаемый в соответствии с ТИ 9169-011-00668034-2013 низ-коэтерифицированный пектин был использован при разработке рецептуры композиционного плодового напитка радиопротекторного действия. Пищевая ценность и его минеральный состав приведены в табл. 2 и 3, оценка биологической ценности функционального напитка «Капля здоровья» по балльной шкале ценности — на рис. 3.

На основе проведенных исследований разработана технологическая инструкция по изготовлению композиционных плодовых

напитков радиопротекторного действия «Капля здоровья» (ТИ 9163-033-00668034-2013), в основе рецептуры которых использованы следующие ингредиенты: пюре из плодов яблони, айвы японской, облепихи, порошок пектиновый низкоэтерифицированный, сироп яблочный [побочный продукт при производстве цукатов из яблок (ТУ 9163-248-00668034-00)].

Проектируемый напиток «Капля здоровья» отличается повышенным содержанием комплекса биологически активных веществ, так как в готовом к употреблению продукте сохраняется 10-50% необходимых физиологически функциональных ингредиентов, восполняющих суточную потребность организма и обеспечивающих лечебно-профилактический эффект. Введение в рецептуру порошка пектинового низкоэтерифицированного

5 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 25

0

1 <

§

ш h

придает продукту радиопротекторные свойства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hazrat, Al., Phytoremediation of heavy metals — Concepts and applications / Hazrat Al, Ezzat Khan, Muhammad Anwar Sajad // journal homepage: www.elsevier.com/locate/ chemosphere, Chemosphere 91 (2013) 869—881.

2. Ильина, И. А. Об устойчивости комплексов пектинов с поливалентными металлами / И. А. Ильина, З. Г. Земскова, О. П. Миронова // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2006. — № 6. — С. 69-72.

3. Kupchik, L. A. Effect of Electrosurface Properties of Pectin Substances on Their

Sorption Capacity for Water and Heavy Metals / L. A. Kupchik, O. L. Alekseev, E. S. Bogdanov // Zhurnal Prikladnoi Khimii. — 2007. —Vol. 80. — № 7. -P. 1109-1112.

4. Егоров, Е. А. Методологические аспекты организации научно-технической деятельности в системе формирующихся рыночных отношений/Е.А. Егоров — Краснодар, 2004. — 216 с.

5. Смирнова, Е. А. Проблемно ориентированный персонифицированный подход к разработке новых продуктов / Е. А. Смирнова, В. А. Саркисян, А. А. Кочеткова // Пищевая промышленность. — 2013. — № 9. — С. 8-12.

6. МР 2.3.1.2432-08. Нормы физиологиче-

ских потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации. Методические рекомендации (утв. гл. гос. санит. врачом РФ 18 декабря 2008 г.).

7. Шаззо, Р. И. Функциональные продукты питания / Р. И. Шаззо, Г. И. Касьянов. — М.: Колос, 2000. — 247 с.

8. Пат. № 110086 Российская Федерация, МПК 6 С08В 37/06. Устройство для осаждения пектина из экстракта с помощью импульсного вращающегося электрического поля / М. В. Филимонов, А. М. Богус, И. А. Ильина, заявитель и патентообладатель ГНУ СКЗНИИСиВ. — № 2011116585/13; заяв. 26.04.2011; опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.

Методология проектирования композиционного плодового напитка радиопротекторного действия

Ключевые слова

комплексообразующая способность; композиционный напиток; низкоэтерифицированные пектины; радиопротектор; сбалансированная рецептура; электрокоагуляция.

Реферат

Ухудшающаяся современная экологическая обстановка вызывает необходимость разработки функциональных пищевых продуктов биозащитного действия. Для создания лечебно-профилактических напитков радиопротекторного действия разработана методология проектирования композиционного функционального продукта как совокупность принципов, методов, способов, форм и алгоритмов решения для достижения целей. Определены принципы проектирования композиционного плодового напитка заданного химического состава, сбалансированного по содержанию макронутриентов (углеводов); микронутриентов (аскорбиновой кислоты, р-каротина, калия, кальция, магния), парафармацевтиков (полифенолов, катехи-на, органических кислот), обогащенного низкоэтерифицированным пектином, получаемым электрохимическим способом. Экспериментально доказано, что яблочный пектин, омыленный щелочью и осажденный во вращающемся электрическом поле, обладает комплексо-образующей способностью по отношению к исследуемым металлам в 7-40 более высокой, чем пектин, осажденный традиционным спиртовым способом. Применение электрофизических процессов для осаждения (нейтрализации заряда), агломерации и уплотнения флокул отличается меньшей энергоемкостью производства, отсутствием сложных и дорогостоящих промывок, возможностью фракционирования пектина по степени этерификации и молекулярной массе. Разработаны рецептуры композиционного плодового напитка радиопротекторного действия «Капля здоровья».

Авторы

Мачнева Ирина Александровна, канд. с.-х. наук; Ильина Ирина Анатольевна, д-р техн. наук, профессор; Богус Александр Муссович, д-р техн. наук; Дрофичева Наталья Васильевна, канд. техн. наук; Филимонов Михаил Васильевич

Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский институт

садоводства и виноградарства,

350901, г. Краснодар, ул. 40 лет Победы, д. 39,

kubansad@kubannet.ru

Methodology of Designing of Composite Fruit Drink Radioprotective Action

Key words

complexing ability; composite drink; low-esterificated pectin; radioprotector; balanced recipe; electrocoagulation.

Abstract

Modern deteriorating environmental situation necessitates the development of functional foods bio-protective action. Methodology of composite functional product designing as a set of principles, techniques, methods, forms and algorithm of decision to achieve the purposes developed for creation of medical-preventive drinks of radioprotective actions. Principles of designing of composite fruit drink a given chemical composition, balanced on the content of macronu-trients (carbohydrates); micronutrients (ascorbic acid, beta-carotene, potassium, calcium, magnesium), parapharmaceutics (polyphenols, catechin, organic acids), low-esterified pectin, obtained by electrochemical method defined. It is proved experimentally that apple pectin, saponified with alkali and precipitated in a rotary electric field, has complexing ability towards to the research metals in 7-40 times higher than pectin, precipitated traditional alcohol way. Application of electrophysical processes for precipitated (neutralization of charge), agglomeration and seals of floccules is differs less intensity of production, absence of complicated and expensive ablutions, possibility of fractionation of pectin on the degree of esterification and molecular weight. Recipes of composite fruit drink of radioprotective action "Kaplya zdorovya" are developed.

Authors

Machneva Irina Alexandrovna, Candidat of Agricultural Sciences;

Ilina Irina Anatolievna, Doctor of Technical Sciences, Professor;

Bogus Alexandr Mussovich, Doctor of Technical Sciences;

Droficheva Natalia Vasilievna, Candidat of Technical Sciences;

Filimonov Mikhail Vasilievich

North Caucasian Regional Research Institute

of Horticulture and Viticulture,

39, 40 Let Pobedi st., Krasnodar, 350901, Russia,

kubansad@kubannet.ru

26 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2014