Разработка научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИИ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки

злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,

плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Орел-2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

КОРЯЧКИНА Светлана Яковлевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДЕРКАНОСОВА Наталья Митрофановна

доктор технических наук, профессор

МАГОМЕДОВ Газибег Омарович

доктор технических наук, профессор

БОГАТЫРЕВА Татьяна Глебовна

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Орловский государственный

аграрный университет»

Защита состоится «30» сентября 2010 г. в 12-00 часов в ауд. 212 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Д 212.182.08 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, Орел, Наугорское шоссе, д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет».

Автореферат разослан «___» июня 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.т.н., профессор С.А. Куценко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсивная хозяйственная деятельность человека постоянно создает антропогенные провинции, характеризующиеся нарушением сбалансированности биохимических циклов многих элементов. В результате усиления техногенных потоков происходит избыточная аккумуляция загрязнителей в хозяйственно полезных частях продукции растениеводства. Результаты санитарного контроля свидетельствуют о высоких уровнях загрязненности сельскохозяйственных продуктов токсичными химическими соединениями, биологическими компонентами и микроорганизмами, обладающими способностью вызывать различные патологии.

Существующие технологии сортовых помолов, направленные на разделение анатомических частей зерна, казалось бы, решают проблему повышения безопасности зерновых продуктов. С отрубями удаляется большая часть загрязнителей, расположенных преимущественно в периферических частях зерновки и микроорганизмов, обитающих на ее поверхности. Однако вместе с вредными веществами и микроорганизмами теряется значительная доля биологически активных соединений: витаминов, биогенных микроэлементов, пищевых волокон, белков и липидов. Преобладание рафинированных продуктов в рационе населения экологически неблагополучных районов, в частности подверженных радиоактивному загрязнению (в том числе Брянской, Орловской и других областей), приводит к биохимическим нарушениям гомеостаза и заболеваниям населения. Для людей, проживающих в таких зонах, необходима разработка качественно новых пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми нутриентами.

В связи с этим большую популярность приобретают зерновые хлебобулочные изделия. Целые зерна злаковых культур содержат -глюкан, пентозаны, целлюлозу, являются источником витаминов группы В, ниацина, минеральных веществ, белков и липидов. Известно, что употребление в пищу продуктов из целых зерен снижает уровень холестерина в крови, повышает перистальтику кишечника, улучшает процессы обмена веществ. Однако оболочки и алейроновый слой зерновки обладают повышенной прочностью, что затрудняет применение нешелушенного зерна в пищевых технологиях. Прочность оболочек зерна определяют -глюкан, ксиланы и другие гемицеллюлозы, которые формируют поперечные сшивки в структуре матрицы клеточной стенки.

Взамен шелушения для размягчения перифирических частей зерна целесообразно применение биокатализаторов на основе целлюлаз. Целлюлолитические ферменты катализируют гидролиз целлюлозы, гемицеллюлоз, -глюкана, входящих в состав матрикса клеточных стенок.

Локализация токсических элементов и радионуклидов в периферических частях зерна злаковых культур указывает на возможность их связи с полисахаридами и белками клеточных стенок. Модификация нативной структуры оболочек под действием ферментных препаратов может привести к высвобождению некоторого количества тяжелых металлов и в определенных условиях при замачивании зерна к миграции за пределы зерновки, обеспечив тем самым снижение их концентрации в зерне и повышение безопасности продуктов его переработки.

Применяемые в зерноперерабатывающей промышленности методы снижения микробиологической обсемененности предусматривают использование синтетических химических соединений, которые часто оказывают отрицательное влияние на технологические свойства зерна. Использование растительного сырья, обладающего антисептическим действием, в технологиях зерновых продуктов открывает возможности получения качественных и безопасных продуктов питания.

Значительный вклад в решение отдельных аспектов проблемы производства зерновых хлебобулочных изделий внесли исследования отечественных ученых Антонова В.М., Козубаевой Л.А., Корячкиной С.Я., Кузьминского Р.В., Лабутиной Н.В., Поландовой Р.Д., Романова А.С., Рослякова Ю.Ф., Саниной Т.В., Черных В.Я., Щербатенко В.В. и других.

Разработке новых технологий, способствующих повышению безопасности зерна и продуктов на его основе, посвящены работы Байходжаевой Б.У., Гинсбурга А.С., Егорова Г.А., Казакова Е.Д., Козьминой Н.П., Кондратьева Ю.Н., Малиной В.П., Мачихиной Л.И., Трисвятского Л.А., Цугленка Н.В., Цыбиковой Г.Ц., Цыгановой Т.Б., Юсуповой Г.Г. и других.

Однако в научно-технической литературе отсутствуют обоснованные подходы к проблеме повышения безопасности и качества зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна злаковых культур. Для решения этой проблемы необходим комплексный подход к разработке технологических решений, который должен основываться, с одной стороны, на разработке научных основ модификации полисахаридов периферических частей зерновки с целью уменьшения содержания токсических элементов и снижения прочности оболочек для улучшения степени дисперсности зерновой массы и, с другой, на характеристике некоторых ее биохимических показателей, имеющих важное значение для обеспечения качества хлебобулочных изделий по органолептическим и физико-химическим показателям.

Работа проводилась в рамках научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы «Технология живых систем» по темам: «Теоретическое обоснование и разработка технологии и оборудования для производства зернового хлеба общего и специального назначения повышенного качества и пищевой ценности» и «Разработка научных основ повышения качества и безопасности продуктов питания» (2000 – 2004 г. г.), а также Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий за счет использования в процессе подготовки зерна биокатализаторов на основе целлюлаз, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробным действием. В задачи исследования входило:

- оценка химического состава и технологических свойств зерна пшеницы, ржи и тритикале, произрастающих в Центральном регионе России;

- обоснование рациональных доз ферментных препаратов целлюлолитического действия, применяемых с целью ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов, приводящего к снижению содержания токсических элементов и радионуклидов в зерне злаковых культур;

- формулировка концепции механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье;

- исследование состава микрофлоры зерна пшеницы, ржи и тритикале и влияния растительного сырья (шишки хмеля, луковица чеснока, плоды рябины обыкновенной, корень хрена, цедра апельсина), используемого при замачивании зерна, на жизнедеятельность типовых штаммов микроорганизмов, развивающихся при хранении;

- изучение динамики изменения некоторых биохимических показателей зерна, морфологии и микроструктуры его составных частей в процессе набухания и прорастания под действием карбогидраз и фитазы;

- обоснование оптимальных доз биокатализаторов на основе целлюлаз и параметров ферментативного гидролиза в технологии зерновых хлебобулочных изделий;

- разработка способа повышения безопасности зернового сырья, основанного на совместном действии ферментных препаратов целлюлолитического действия, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробными свойствами, применяемых при замачивании зерна;

- разработка технологических решений для применения ферментных препаратов целлюлолитического действия и растительного сырья, обладающего антимикробными свойствами в технологии зерновых хлебобулочных изделий;

- определение показателей качества, пищевой ценности и безопасности разработанных зерновых хлебобулочных изделий;

- определение экономической эффективности разработанных зерновых хлебобулочных изделий, опытно-промышленная апробация и внедрение основных результатов исследований в хлебопекарном производстве.

Научная концепция. В основу разработки научных основ и способов повышения безопасности зернового сырья в технологии хлебобулочных изделий положена научная гипотеза, заключающаяся в целесообразности совместного использования биокатализаторов на основе целлюлаз, буферных растворов и растительного сырья, обладающего антимикробным действием, на стадии подготовки зернового сырья, приводящего к формированию зерновой массы с пониженным содержанием токсических элементов, радионуклидов и микроорганизмов и к получению хлебобулочных изделий повышенной безопасности, качества и пищевой ценности.

Научные положения, выносимые на защиту:

- концепция механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье путем обработки зерна биокатализаторами на основе целлюлаз;

- результаты экспериментальных исследований изменения некоторых биохимических показателей зерна, морфологии и микроструктуры его составных частей в процессе набухания и прорастания под действием карбогидраз и фитазы;

- способы повышения безопасности зернового сырья и продуктов на его основе с учетом снижения содержания тяжелых металлов, радионуклидов и микроорганизмов;

- научно-обоснованные технологические решения по созданию хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна пшеницы, ржи и тритикале повышенных безопасности и пищевой ценности на основе использования в их рецептурах биокатализаторов на основе целлюлаз и растительного сырья, обладающего антимикробным действием.

Научная новизна работы. Предложена концепция механизма снижения содержания токсических элементов в зерновом сырье путем обработки биокатализаторами на основе целлюлаз, с осуществлением ферментативного гидролиза, приводящего к мацерации структур оболочек, деструктуризации и фрагментации полимеров, увеличению диаметра пор, солюбилизации продуктов гидролиза и десорбции ионов. Показано, что применение совместно с биокатализаторами на основе целлюлаз цитратного буфера или буфера на основе янтарной кислоты (рН 4,5) и водных экстрактов шишек хмеля, луковицы чеснока, плодов рябины обыкновенной, корня хрена, цедры апельсина, обладающих антимикробным действием, а также промывание проточной водой зерна после обработки, способствует образованию подвижных комплексов металлов с органическими кислотами, флавоноидами и другими соединениями и выносу их за пределы твердой фазы.

Обоснованы параметры ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов оболочек зерна под действием биокатализаторов на основе целлюлаз (оптимальные дозы ферментных препаратов, продолжительность замачивания, гидромодуль) с точки зрения снижения содержания токсических элементов и для использования в технологии зерновых хлебобулочных изделий.

Экспериментально установлено, что в процессе десорбции свинца, кадмия, никеля и хрома основная роль принадлежит ферменту -глюканазе в комплексе с целлобиогидролазой. Расширены представления об эффективности действия отдельных ферментов, входящих в состав отечественных препаратов на скорость процесса гидролиза фитина.

Получены новые данные об изменении морфологии, микроструктуры зерна пшеницы, ржи и тритикале, а также о динамике изменения некоторых биохимических показателей зерна в процессе набухания и прорастания при применении ферментных препаратов целлюлолитического действия.

Показано, что отечественный промышленный препарат серии «Целловиридин Г20х» (продуцент Trichoderma reesei) и лабораторный препарат на основе фитазы F 4.2B (P-215) FD-UF, продуцент Penicillium canescens (ИБФМ РАН) превосходят по эффективности действия в технологии зерновых хлебобулочных изделий препараты от зарубежных производителей ферментов: Pentopan 500 BG, Fungamyl Super AX, Biobake – 721.

Разработаны способы повышения безопасности зернового сырья с учетом снижения содержания тяжелых металлов, радионуклидов и микроорганизмов и научно обоснованы технологические решения по применению биокатализаторов на основе целлюлаз и экстрактов растительного сырья, обладающего антимикробным действием в технологии зерновых хлебобулочных изделий повышенных безопасности, качества и пищевой ценности.

Новизна технологических решений подтверждена 8 патентами Российской Федерации на изобретения.

Практическая значимость работы.

Дано технологическое обоснование производства зерновых хлебобулочных изделий повышенных безопасности, качества и пищевой ценности.

Разработаны технологии хлебобулочных изделий из целого нешелушенного зерна пшеницы, ржи и тритикале на основе использования препаратов карбогидраз и фитазы совместно с водными экстрактами растительного сырья, обладающего антимикробным действием, для модификации структурных полисахаридов периферических частей зерновки с целью уменьшения содержания токсических элементов, снижения прочности оболочек для улучшения степени дисперсности зерновой массы и уменьшения степени микробиологической обсемененности зерна, что позволит получить хлеб, обладающий повышенной безопасностью и пищевой ценностью, а также органолептическими и физико-химическими показателями качества не ниже, чем у зернового хлеба, производимого по ГОСТ 25832-89.

Разработаны и утверждены пакеты технической документации на новые виды зерновых хлебобулочных изделий: хлеб зерновой «Стимул» ТУ 9114-157-02069036-2003, ТИ 02069036-157, РЦ 02069036-157, «Изделия хлебобулочные зерновые пшенично-ржаные» ТУ 9113-205-02069036-2006, ТИ 02069036, РЦ 02069036, хлеб зерновой пшенично-ржаной «Семейный» ТУ 9113-204-02069036-2006, ТИ 02069036-124, РЦ 02069036-124, хлеб зерновой «Трапезный» ТУ № 9113-21-0206903-2007, хлеб зерновой пшеничный «Колос» ТУ 9114–228–02069036.

Проведена промышленная апробация разработанных зерновых хлебобулочных изделий на следующих предприятиях: ОАО «Орловский хлебокомбинат», ОАО «Железногорский хлебозавод», ООО «Нива хлеб», ОАО «Орелоблхлеб» «Колпнянский хлебозавод», участок хлебопечения комбината общественного питания ОрелГТУ.

Получены санитарно-эпидемиологические заключения органов санэпидемслужбы Минздрава РФ на производство новых видов продуктов.

Разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» Орловского государственного технического университета при изучении дисциплин «Биокаталитические процессы в пищевых технологиях», «Безопасность пищевого сырья и продуктов питания», «Экологические основы производства и хранения зерна», «Пищевая микробиология», «Технология хлебобулочных и макаронных изделий».

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Продукты питания, пищевые добавки, упаковка» (Москва – 1998), «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (Орел – 1998, 1999, 2000, 2003, 2008), «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию» (Краснодар - 2000), «Пищевые продукты двадцать первого века» (Москва – 2001), «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел – 2001, 2002, 2004, 2007, 2009), «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза - 2001), «Наука – образование – производство в решении экологических проблем» (Уфа – 2002), «Здоровье – питание – биологические ресурсы» (Киров – 2002), «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (Барнаул - 2006), «Техника и технология пищевых производств» (Могилев – 2007), «Актуальнi проблеми харчування: технологiя та обладнання, органiзацiя i економiка» (Святогiрськ – Донецьк – 2007), «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса – 2007, 2009), «Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов питания» (Иркутск – 2007), «Food science, engineering and technologies 2007» (Пловдив – 2007), «Формирование инновационной системы экономики и образования в условиях глобализации» (Воронеж – 2008), «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Пятигорск – 2008), «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж – 2009), «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XX века» (Краснодар - 2009), «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей – 2010),V Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва – 2009), а также Всероссийских Конгрессах зернопереработчиков и хлебопёков «Нивы России» (Барнаул – 2001, 2003), Всеросийских научно-практичеких конференциях: «Современные проблемы экологии» (Москва - Тула – 2006) и «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (Уфа – 2006). Разработанные изделия были представлены на XIII Международной специализированной торгово-промышленной выставке «Пекарня – Макароны – Интерсладости - 2008» (Москва, ВВЦ, 8-11 апреля 2008 г. г.).

Публикации. По теме данного исследования опубликовано 107 работ, в том числе 22 статьи в реферируемых ВАК журналах, 13 статей в других научных журналах и сборнике научных трудов, 3 монографии, получено 8 патентов на изобретения. В список публикаций, приведенный в конце автореферата, тезисы докладов, опубликованные в сборниках трудов конференций и конгрессов, не включены.