Биотехнологические аспекты производства комбинированных напитков с использованием каррагинанов из водорослей российского тихоокеанско

На правах рукописи

 

 

 

 

ЛОБУЦКАЯ Наталья Викторовна

 

 

 

 

 

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИНИРОВАННЫХ НАПИТКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРРАГИНАНОВ ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ РОССИЙСКОГО ТИХООКЕАНСКОГО ШЕЛЬФА

 

 

Специальность 03.00.23 - биотехнология

 

 

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание  ученой степени

кандидата биологических  наук

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток - 2003

Работа выполнена на кафедре товароведения и экспертизы продовольственных товаров Дальневосточной  государственной академии экономики  и управления МО РФ и в лаборатории молекулярных основ антибактериального иммунитета Тихоокеанского института биоорганической химии ДВО РАН.

Научные руководители:  

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник   Ермак Ирина Михайловна

кандидат технических наук,

профессор       Дедюхина Валентина Петровна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор    Хотимченко Ю.С.

доктор биологических наук, 

профессор    Михайлов В.В.

 

Ведущая организация:  Комитет пищевой и перерабатывающей

промышленности Департамента сельского        хозяйства и продовольствия Администрации        Приморского края

 

Защита состоится  "_____" ___________2003 г. в ____часов на заседании  диссертационного совета  К 005.003.01 при  Биолого-почвенном институте ДВО  РАН по адресу: 690022, г.Владивосток, проспект 100-летия Владивостока, 159.

Факс: (4232) 310-193

 

С диссертацией можно  ознакомиться в Центральной научной  библиотеке ДВО РАН

 

Автореферат разослан "____"____________ 2003 г.

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность  работы. Вопросы современной биотехнологии охватывают широкий круг проблем, среди которых создание новых пищевых продуктов с использованием природных полимеров, обладающих широким спектром биологической активности и способных модифицировать состав, структуру и пищевую ценность продуктов питания.

Дальневосточный регион богат морскими и наземными растительными ресурсами, которые служат источниками таких биологически активных веществ. Широкую известность получили эндемичные лекарственные растения, биотехнологические методы переработки которых позволяют получать экстракты с высоким содержанием биологически активных веществ. Морские водоросли известны как источники различных полисахаридов, среди них особую ценность представляют сульфатированные галактаны красных водорослей - каррагинаны.

Интерес к каррагинану обусловлен, прежде всего, его уникальной способностью к гелеобразованию и повышению вязкости водных систем. Наряду с этим он обладает иммуностимулирующей, антикоагулянтной, антиязвенной, гипохолестеринемической, энтеросорбентной и противовирусной активностью. Каррагинаны относятся к растворимым пищевым волокнам, которые играют важную роль в регулировании гомеостаза. Использование полезных медико-биологических свойств каррагинана, в сочетании с его основными характеристиками как гелеобразователя, загустителя, стабилизатора и эмульгатора, представляет уникальную возможность для создания лечебно-профилактических продуктов питания на основе дальневосточного возобновляемого растительного сырья.

Если химическая структура  каррагинанов интенсивно изучается,  то взаимосвязь структуры и основных, с точки зрения практического применения, свойств каррагинанов остается малоизученной. Более того, работы по реологическим и вязкостным характеристикам каррагинана выполнены, как правило, на стандартных образцах полисахарида "Sigma" (США). Практически отсутствуют данные о смешанных системах каррагинанов с белками.

В отличие от ряда зарубежных стран, где технологии получения и применения каррагинанов высоко развиты, в России, к сожалению, такие технологии отсутствуют. Вместе с тем Дальний Восток обладает большими естественными запасами каррагинансодержащих водорослей, а также возможностями для создания условий их плантационного разведения.

Разработка новых пищевых технологий на основе каррагинана из отечественного сырья позволит, с одной стороны, создать новые продукты лечебно-профилактической направленности с модифицированным составом и структурой, а с другой - будет способствовать развитию морской биотехнологии, т.к. связана с переработкой возобновляемого растительного сырья - красных водорослей.

Цель работы заключалась в создании технологии производства комбинированных напитков целевого и лечебно-профилактического назначения с использованием каррагинана из красных водорослей Chondrus armatus (семейства Gigartinaceae) Тихоокеанского бассейна и экстрактов из лекарственных растений уссурийской тайги.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• изучить основные, с точки зрения практического использования, физико-химические свойства различных типов каррагинанов и реологические свойства смесей каррагинанов с соевыми и молочными белками;
• определить оптимальный режим извлечения экстрактивных и биологически активных веществ при ферментативном гидролизе растительного сырья;
• подобрать видовой состав микрофлоры закваски для получения йогуртов и изучить влияние каррагинанов на активность молочнокислых бактерий при производстве кисломолочных напитков (йогуртов);
• разработать рецептуры и технологические схемы производства напитков (кисломолочных, соевых, безалкогольных) с использованием различных типов каррагинанов и растительных экстрактов;
• изучить влияние каррагинана на органолептические, физико-химические и микробиологические показатели качества напитков;
• разработать и утвердить нормативную документацию на новые виды комбинированных напитков.

Научная новизна. Впервые изучены реологические свойства и вязкость растворов каррагинанов из красных водорослей дальневосточных морей и их смесей с молочными и растительными белками. Изучено влияние каррагинана на активность заквасочных культур и показана возможность использования k-каррагинана в производстве йогуртов и λ-каррагинана в производстве соевых и безалкогольных напитков. Определены преимущества ферментативного способа получения экстрактов из лекарственного растительного сырья перед другими методами. Установлены  преимущества каррагинана из отечественного сырья перед традиционно используемыми загустителями и стабилизаторами при производстве комбинированных напитков. Разработаны технологии производства кисломолочных, соевых и безалкогольных напитков с использованием в качестве загустителя и стабилизатора каррагинана из отечественного сырья и в качестве наполнителей - растительных экстрактов из дикорастущих трав и ягод уссурийской тайги.

Практическая значимость работы. По результатам исследований и проведенным производственным испытаниям разработана нормативная документация на напитки с использованием каррагинана из дальневосточных красных водорослей и растительных экстрактов: ТУ 9185-011-48848231-99 "Напитки "Уссурийская тайга"; ТУ 9222-088-402067936-2000  "Йогурты "Дальневосточные"; ТУ 9185-106-402067936-2001 "Сухие напитки "Адапт"; ТУ 9185-107-402067936-2001 "Сиропы "Адапт"; ТУ 9184-118-02067936-2002 "Напитки соевые "Дальневосточные".

В условиях производства ОАО "Молочный комбинат Благовещенский" изготовлены  опытные партии: напитков соевых "Дальневосточных", йогуртов "Дальневосточных" с  использованием каррагинана из Chondrus armatus в качестве стабилизатора и загустителя, специально подобранных заквасок и сиропов на основе растительных экстрактов.

В ООО ПК "Лимонник" выпущены опытные партии и внедрены в производство напитки "Уссурийская тайга" на основе ферментативных растительных экстрактов из лекарственных растений Уссурийской тайги  с использованием каррагинана в качестве стабилизатора.

Апробация результатов. Материалы диссертации были представлены  на международном симпозиуме "Питание XXI века: медико-биологические аспекты, пути оптимизации" (Владивосток, 1999), международном симпозиуме "Пищевые биотехнологии: проблемы и перспективы в XXI веке" (Владивосток, 2000), международной конференции "Биотехнология на рубеже двух тысячелетий" (Саранск, 2001), международной научно-практической конференции "Низкотемпературные технологии и продовольственная безопасность в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2001), международной научно-практической конференции "Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг" (Орел, 2001), тихоокеанском форуме соотечественников "Человеческий потенциал и проблемы социально-экономического развития Дальнего Востока. Сотрудничество со странами АТР" (Владивосток, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, утверждено 5 технических условий.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов исследования и их обсуждения, выводов и списка литературы, включающего     наименований (в том числе     на иностранных языках), приложения. Работа изложена на     страницах, иллюстрирована  24   рисунками и   24 таблицами.

 

СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

 

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ посвящен исследованиям в области биотехнологии и пищевой химии, направленным на создание новых видов пищевых продуктов общего и специального назначения с использованием биологически активных веществ и ферментных препаратов. Особое внимание уделяется вопросам использования морских и наземных растительных ресурсов как источников биологически активных веществ в приготовлении продуктов питания. Применение этих веществ в качестве пищевых добавок способствует не только модификации пищевой и биологической ценности продуктов питания, но и выполнению важной функций в их структурообразовании. Среди них значительное место уделено морским полисахаридам: каррагинану, агару, альгинату. Рассмотрены особенности производства комбинированных кисломолочных, соевых и безалкогольных напитков. Представлены теоретические и практические аспекты комплексной переработки растительного сырья с применением ферментных препаратов и создание на его основе комбинированных напитков.

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработана схема проведения исследований, в которой отражена последовательность выполняемых экспериментов (рис. 1).

МАТЕРИАЛЫ И  МЕТОДЫ.  Объектами исследования явились: каррагинаны из дальневосточной красной водоросли Chondrus armatus (Gigartinaceae), собранные в заливе Петра Великого в августе 1999 г.; дикорастущие травы и ягоды уссурийской тайги сбора 1999-2000 г. г.; основы концентрированные "Уссурийская тайга" ("Шиповник с травами", "Брусника с травами", "Элеутерококк с травами", "Лимонник"); стандартные сухие закваски Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus аcidophilus, выпускаемые Сибирским филиалом ВНИМИ; сиропы "Уссурийская тайга"; йогурты "Дальневосточные"; напитки соевые "Дальневосточные"; напитки безалкогольные "Уссурийская тайга".

Каррагинаны были выделены Н₂О при 90⁰ С и фракционированы KCl. Общее содержание в полисахаридах нейтральных моносахаридов определяли фенол-сернокислотным методом [Dubois et.al., 1956], концентрацию белка - методом Лоури [Lowry, et.al.,1951]. Для оценки молекулярной массы каррагинанов применяли метод гель-фильтрации на сефарозе CL-2B, с использованием в качестве маркеров декстрана с молекулярной массой от 300 до 1000 кДа. Моносахаридный состав полисахаридов определяли методом ГЖХ на Pye-Unicoam (Англия). Спектры ИК были сняты в таблетках KBr  с использованием Perkin Elmer 580 спектрофотометра.

Вязкость растворов  каррагинанов, йогуртов, соевых напитков определяли с использованием роторного  вискозиметра HAAKE RV 20 (Англия). Силу геля исследуемых образцов каррагинанов определяли на реолометре Sun Rheometer Conpact (Япония) при 20 ⁰С. Реологические измерения смесей каррагинанов с молочными и соевыми белками проводили с помощью реометра Rotovisco RT 20 (Нaake, Германия).

Растительные экстракты  получали из дикорастущих трав и ягод eссурийской тайги водной экстракцией с применением ферментов: b-глюканазы из гриба Penicillium emersonii, гемицеллюлазы из гриба Aspergillus niger, ксиланазы из генетически модифицированного штамма гриба Aspergillus orysae (хозяин) и штамма Aspergillus acubatus (донор гена), протеазы из Bacillus subtilis фирмы "Новозаймс" (Дания); пектиназы из селекционного штамма Aspergillus niger фирмы "Эрбеле" (Германия). Содержание экстрактивных веществ определяли методом высушивания до постоянного веса, сухих веществ - рефрактометрическим методом. Элеутерозиды определяли методом высокоразрешающей хроматографии на НLPC.

Приготовление лабораторной и производственной закваски осуществляли в соответствии с инструкцией  по приготовлению и применению заквасок для кисломолочных продуктов, утвержденной ВНИИМП от 28.07.83. Подсчет количества клеток лактобактерий проводили  методом предельных десятикратных разведений; вероятного количества микроорганизмов - по таблице Мак-Креди [Банникова, 1987]. Аминокислотный состав соевых напитков определяли методом ионообменной хроматографии на аминокислотном анализаторе LKB "Альфа-плюс" 4151, минеральный состав - атомно-абсорбционным методом на "Nippon Jarrell Ash" (модель АА-855). Физико-химические и микробиологические показатели качества готовых йогуртов, соевых напитков, безалкогольных напитков определяли по общепринятым методикам согласно утвержденным нормативным документам.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ  И ОБСУЖДЕНИЕ

 

1. Каррагинан  из красных водорослей Chondrus armatus (Gigarinaceae)

1.1. Характеристика каррагинана

Полисахариды выделены из водорослей водной горячей экстракцией  и фракционированы КС1 осаждением на фракции: желирующие - КС1-нерастворимые  и нежелирующие - КС1-растворимые. Качественный и количественный состав выделенных полисахаридов приведен в таблице.     

Количественный и качественный состав каррагинанов, выделенных из Chondrus armatus

Полисахаридная фракция	Выход полисахари-да, %	Содержание, % от массы  сухого полисахарида				Мол.м, кДа
		МС	белок	SO42-	зола
Суммарный каррагинан	52	52	1.9	25	22	1000,0
КС1-не растворимый	33	47	1.9	22	18	600,0
КС1-растворимый	10	29	2.1	28	26	300,0