Моделирование процесса производства картофельных полуфабрикатов с применением эффектов ультразвукового воздействия

Обеспечение населения страны качественными и, прежде всего, безопасными продуктами питания является одним из направлений государственной политики практически всех стран мира. Достижение продовольственной безопасности для всех находится в центре усилий Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), с целью обеспечить всем людям постоянный доступ к достаточному количеству продовольствия высокого качества, чтобы вести активный и здоровый образ жизни. Картофель в настоящее время является третьим в мире наиболее потребляемым продуктом питания, обеспечивая пищу для более миллиарда людей ежедневно [19]. Этот замечательный клубень с низким содержанием жира, но с высоким содержанием белка, кальция и витамина С выращивают на всех континентах, где проживают люди (рис. 1). Ежегодно в мире производят до 350 млн т картофеля, 52 % этого объема приходится на развивающиеся страны, где он – важный источник пищи, рабочих мест и доходов. За последние 15 лет производство картофеля в этих странах увеличилось более чем в 2 раза. Более 40 % мирового объема картофеля сосредоточено в Китае, Российской Федерации и Индии [20].

В современных условиях приоритеты государственной политики РФ в пищевой и перерабатывающей промышленности обусловлены балансом импорта и определяют задачи

The World Potato Atlas

Countries included as of 2008

China

Lebanon

Iran Pakistan

Nepal, Myanmar (Burma)

Jordan Egypt Sudan

Saudi Arabia

Yemen

Ethiopia Kenya Uganda

Tunisia

Libya Algeria

Nigeria

Turkey Armenia Tajikist; Cyprus Syria Iraq Afghanistan

Congo (ORC) Rwanda and Bi

Malawi Tanzania Zambia

Zimbabwe Madagascar

Indonesia

Cuba

Dominican Republic

Rwanda and Burundi Tanzania

Argentina

Chile Uruguay

India Thailand

Viet Nam

Bangladesh

Mexico

Guatemala Costa Rica

Colombia Venezuela

• Countries included in the 2006 Atlas

О Countries included in the Atlas Archives

Ecuador

Peru Brazil

Bolivia

Рис. 1. Атлас территорий по состоянию на 2008 год основных производителей картофеля по обеспечению продовольственной безопасности страны1. Из основных групп приоритетов можно выделить следующие:

• •    обеспечение потребностей населения продовольствием российского производства за счет снижения объемов импорта продовольственной продукции;

• •    развитие инфраструктуры внутреннего агропродовольственного рынка;

• •    расширения ассортимента продовольственной продукции;

• •    стимулирование развития новых рынков в пищевой отрасли [18].

Россия занимает второе место в мире по производству картофеля (около 37 млн тонн) после Китая и входит в десятку ведущих стран, производящих более половины валового производства. Происходящее в последние годы общее сокращение площадей посадки картофеля во всех группах производителей при од- новременном увеличении урожайности является объективным процессом. Средняя урожайность картофеля в России в разы ниже (150 ц/га в сельхозпредприятиях), чем в развитых странах, где она составляет 300–400 ц/га.

Последние годы наблюдается увеличение посевных площадей, если в 2014 году общая площадь составляла 320,8 тыс. га (без учета хозяйств населения), то в 2015 году уже 355,5 тыс. га, наблюдается изменение структуры производителей (рис. 2 и 3) [2].

Потребление сырого картофеля, ранее составлявшее основную форму его использования, сокращается во многих странах, особенно в промышленно-развитых регионах. Картофель для российского потребителя принято считать «вторым хлебом», в рационе питания на его долю приходится до 40 % от количества потребляемых плодов и овощей. В настоящее время больше картофеля перерабатывается для удовлетворения спроса индустрии быстрого питания, закусок и полуфабрикатов. Основные причины этих изменений включают: рост городского населения, рост доходов,

Рис. 2. Посевные площади картофеля промышленного выращивания в России в 2010–2015 гг. (без учета хозяйств населения)

хозяйства населения

2010    1011    2012    2013

крестьянские (фермерские) хозяйства

• ■    сельскохозяйственные организации

  2014    2015

Рис. 3. Производство картофеля по категориям производителей в 2010–2015 гг.

более разнообразный рацион питания, а также образ жизни, оставляющий меньше времени на приготовление пищи из свежих продуктов.

По данным мониторинга потери урожая картофеля при хранении достигают 20 %, а в ряде хозяйств - до 30 %. Особый интерес представляет переработка картофеля как возможность сократить потери при хранении, такая практика применяется в большом количестве стран, имеющих достаточную сырьевую базу. Около четверти всего объема производства картофеля Германии превращается в полуфабрикаты, еще столько же подвергается глубокой переработке (спирт, крахмал, хлопья), в свежем виде приобретается еще четверть. В нашей стране, даже с учетом развития чипсовых производств, доля полуфабрикатов и переработки не превышает нескольких процентов [14, 17].

Вместе с тем, комплексная переработка картофеля на базе безотходных и малоотходных технологий позволит решить ряд социальных задач, создать государственный резерв запасов продукции длительного хранения на случай неурожая, значительно снизить потери при хранении, затраты на транспорти- ровку и хранение, затраты труда при приготовлении блюд из картофеля в сети общественного питания, в детских и других учреждениях [15].

Технологические процессы производства картофельных полуфабрикатов имеют риски микробного характера в части чистоты готового полуфабриката из-за присутствия остатков земли. В процессе технологической обработки разрушается наружный слой картофеля, в результате чего создаются благоприятные условия для взаимодействия легкоокисляю-щихся веществ (полифенолов) с кислородом воздуха при катализирующем действии окислительных ферментов, прежде всего полифе-нолоксидазы. Так, например, тирозин окисляется в диоксифенилаланин, который превращается в хинон, образующий красные гетероциклические соединения, которые, полимеризуясь, превращаются в меланины, имеющие черную окраску [1].

Полифенолоксидаза, систематическое название фермента – монофенол-дегидрокси-фенилаланин: кислород оксидоредуктаза. Для действия полифенолоксидазы необходимо присутствие свободного кислорода. Оптимум действия фермента в диапазоне рН 6-8. В результате активности полифенолоксидазы образуются тёмноокрашенные вещества – меланины, которые ухудшают внешний вид и другие качества продуктов [6]. Реакция окисления при участии полифенолоксидазы представлена ниже:

Полифенолы сосредоточены в вакуолях растительной клетки и отделены от цитоплазмы, содержащей ферменты, тонопластом, поэтому в здоровых, неповрежденных клетках полифенолы не окисляются до меланинов, флобафенов и других темноокрашенных соединений. В этом случае через тонопласт в цитоплазму поступает строго ограниченное количество полифенолов, необходимое для протекания в тканях картофеля определенных физиологических процессов. При этом полифенолы окисляются до СО2 и Н2О, а часть промежуточных продуктов окисления восстанавливается с помощью соответствующих ферментов (дегидрогеназ) до исходных соединений [16].

Известен способ обработки картофеля в кожуре (авторы Судзиловский И.И., Богатырев А.Н., Пальмин Ю.В., Макеев В.Н., Макаров В.В., Каширина Н.Н., Землякова О.И.), который предусматривает термическую обработку в СВЧ-поле в течение 1,5…10 мин при частоте, обеспечивающей температуру в центре клубня 100 град, охлаждение в две стадии: на первой стадии охлаждают до температуры в центре клубня 50 град, на второй стадии до 20 град, а затем замораживание до температуры в центре клубня –18 град (патент № 20759492) [11].

Предложен способ консервирования картофеля (Могилевский технологический институт), включающий мойку, очистку и измельчение клубней, бланширование, охлаждение и упаковку, отличающийся тем, что клубни картофеля измельчают до размера частиц 2–5 мм, бланшируют при температуре 95^100° с в течение 3-5 минут 0,18^0,20 %-ным раствором бензоата натрия или сорбиновой кислоты в молочной сыворотке рН 3,5…3,7, при этом картофель и сыворотку берут в соотношении 1 : (0,8…1,2) после чего полученную смесь охлаждают до температуры 45^55 °С, дополнительно обрабатывают ферментным препаратом «Амилосубтилином Т 10Х» в количестве 0,1…0,7 % от массы сме- си в течение 1–1,5 часа и уваривают до содержания сухих веществ 20…30 мас. % (патент BY 1917C1).

Бондарь А.И., Исакова Д.М., Соловьев А.Ю. предложили спо- соб повышения качества консервированного картофеля и увеличения сроков хранения. В качестве консерванта используют комбинацию антимикробного агента низина в количестве (в пересчете на низин с удельной активностью 1000 МЕ/мг) 1,0…1,2 г/кг картофеля и молочной кислоты в количестве 0,2…0,25 г/кг картофеля, тепловую обработку укупоренных в тару клубней проводят при температуре 75– 80 °C в течение 10–20 минут [13].

Чаще всего при переработке растительного сырья для предотвращения потемнения используют двуокись серы (SO 2 ) или бисульфит натрия (NaHSO 3 ). Диоксид серы и другие соединения серы применяют в качестве консервантов и для стабилизации цвета. Пищевые продукты обрабатывают газообразным сернистым ангидридом SO₂, водными растворами сернистой кислоты H 2 SO 3 или ее солями: бисульфитом натрия NaHSO 3 , бисульфитом кальция Ca(HSO 3 ) 2 , пиросульфитом натрия Na 2 S 2 O 5 и пиросульфитом или метабисульфитом калия K 2 S 2 O 5 . Диоксид серы и сульфиты предохраняют от ферментативного потемнения очищенный сырой картофель, тормозят потемнение сухих белоксодержащих продуктов вследствие карбониламинных реакций.

В Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности Р.З. Григорьевой и А.Ю. Просековым было проведено исследование по предотвращению потемнения очищенного картофеля путем использования водных растворов хлорида натрия, желатина, смеси лимонной и аскорбиновой кислот, исключение атмосферного кислорода. Установлено, что лучшим способом предотвращения потемнения сырого очищенного картофеля является бланширование при температуре 98– 100 °С в течении 3–5 секунд с последующей обработкой в течении 50–60 минут в консервирующих растворах, в составе которых 1 % аскорбиновой и 1 % лимонной кислот, а также 0,35 % бензоата натрия или 0,2 % сорбата калия, при температуре 4–8 °С [4].

Помимо окислительных ферментов на процесс потемнения картофеля влияет дыхание клубней. Разные сорта картофеля имеют различную интенсивность дыхания. При нанесении механических и других видов повреждений интенсивность дыхания повышается, а также существенно влияет на интенсивность дыхания поражение клубней картофеля физиологическими заболеваниями [7–10].

Цель данной работы состоит в исследовании возможности сохранения потребительских свойств картофельных полуфабрикатов на основе применения ультразвукового воздействия.

Для ультразвуковой обработки применялся аппарат ультразвуковой технологический «Волна» модель УЗТА-0,4/22-ОМ (частота механических колебаний – (22 ± 1,65) кГц, максимальная потребляемая мощность – 400 Вт, диапазон регулирования мощности – 30–

100 %). Каждому из объектов исследования были определены условия ультразвукового воздействия с учетом вариаций по длительности.

Опытные образцы очищенного картофеля погружались в воду, обработанную УЗ (табл. 1), и выдерживались. В качестве контроля определен картофель без УЗ обработки. Затем картофель упаковывался в полимерную пленку в условиях вакуума, после чего упаковывали в условиях вакуума и закладывали на хранение при температуре (3 ± 0,2) °С.

Таблица 1

Характеристика модельных образцов

Мощность обработки, Вт (% от номинальной мощности прибора)	Время обработки, мин
	20	15	10	5
400 (100 %)	20– 100	15– 100	10– 100	5– 100
Код образца	1	2	3	4

Основными параметрами оценки являлись – интенсивность дыхания, стойкость к потемнению и микробной порче.

Интенсивность потемнения устанавливали по шкале цветности, разработанной и предложенной Кармановой Я.М. (Кемеровский технологический институт пищевой промышленности). Интенсивность дыхания измеряется количеством миллиграммов выделенного СО 2 или поглощенного О 2 в расчете на 1 кг продукта за 1 час. Активность микрофлоры оценивали на основе результатов микроскопического исследования мазков с поверхности картофеля, окрашенных по методу Грамма.

На первом этапе исследований оценивали товарное качество картофеля в соответствии с требованиями ГОСТ 51808-2001 «Картофель свежий продовольственный, реализуемый в розничной торговой сети. Технические условия». Результаты оценки представлены в табл. 2. Результаты исследований показали, что вся оцениваемая масса картофеля может быть отнесена по качеству к стандартному и имеет категорию экстра класса [3, 5].

Для оценки метаболических процессов и их изменения при использовании ультразвукового воздействия определяли интенсивность дыхания очищенных клубней (табл. 3). Известно, что интенсивность дыхания карто-

Таблица 2

Результаты исследования товарного качества картофеля

Показатель	Требования ГОСТ 51808	Результаты усредненной оценки проб
Внешний вид	Клубни должны быть целыми, чистыми, не проросшими, неповрежденными вредителями, зрелыми, кожура должна быть плотной	Клубни целые, чистые, здоровые, не проросшие, увядшие, без повреждений сельскохозяйственными вредителями
Запах и вкус	Свойственные данному ботаническому сорту	Свойственные данному ботаническому сорту,
Наибольший поперечный диаметр клубней, мм, не менее: округло-овальной формы удлиненной формы	45–50 30–40	65
Содержание клубней с отклонениями от наибольшего поперечного диаметра не более чем на 5 мм для всех форм, % от массы, не более	У классов экстра и первый не допускается, у второго – 10,0	Отклонений не выявлено
Наличие клубней с механическими повреждениями (трещинами, вмятинами, порезами) глубиной более 5 мм, длиной более 10 мм, %	экстра – 2,0, первый класс – 5,0, второй класс – 10,0	1,5 %
Наличие земли, прилипшей к клубням, % от массы, не более	1,0	0,35

Таблица 3

Результаты оценки влияния ультразвука на интенсивность дыхания картофеля

Наименование образца картофеля с учетом режима обработки Интенсивность дыхания, мг СО2/ч*кг Отклонение от контроля мг СО2/ч*кг 20–100 5,13 ± 0,12 –1,04 15–100 6,03 ± 0,13 –0,14 10–100 5,81 ± 0,11 –0,36 5–100 5,65 ± 0,12 –0,52 Картофель очищенный б/о 6,45 ± 0,10 +0,28 Картофель неочищенный контроль 6,17 ± 0,13 феля определяется физиологическим периодом. За счет дыхания образуются пластические вещества, энергия для синтеза и передвижения веществ, связанных с дифференциацией почек, созреванием семян и околоплодника, защитными реакциями.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования ультразвуковой обработки воды для регулирования метаболических процессов в картофеле при хранении и производстве картофелепродуктов. При равной мощности УЗВ длительность воздействия по- разному влияет на процесс дыхания (от – 0,52 до –1,04 мг СО2/ч*кг), но затормаживает, а наиболее интенсивно (на 1,04 мг СО2/ч*кг) при 20 минутах обработки воды. Результаты оценки интенсивности дыхания в сопоставлении с исходными показателями состояния воды после ультразвуковой обработки представлены на рис. 4 [12].

Физико-химические показатели воды изменялись при увеличении длительности воздействия, отмечено повышение температура (от 14,6 °С в контроле до 62,9 °С при 20 минутах УЗВ) и снижение показателя pH (8,46 для контроля до 7,85 при 20 минутах УЗВ).

На следующем этапе исследования мы определяли, как изменились потребительские свойства картофельных полуфабрикатов в условиях вакуума по истечении семи дней хранения при температуре (3 ± 0,2) °С.

режимы УЗВ

I I температура воды У///////Л рН Интенсивность дыхания

Рис. 4. Результаты исследования УЗВ на интенсивность дыхания картофельного полуфабриката

В процессе хранения проводилось наблюдение за состоянием клубней, а основными критериями оценки были цвет клубней, плотность прилегания упаковки. Для оценки изменения внешнего вида применялась 5-балловая шкала. Результаты оценки представлены в табл. 4.

Сохранение состояния картофеля при хранении после применения выдержки в воде обработанной ультразвуком косвенно свидетельствует о снижении активности полифено-локсидазы, влияющей на потемнение окраски. Дрожжи, плесени, БГКП (коли-формы), патогенные микроорганизмы, в т. ч. сальмонеллы, L. monocytogenes не обнаружены. При использовании короткого периода УЗВ КМА-ФАнМ не превышает установленных нормативов, однако отмечено появление темных пятен на поверхности образцов, коэффициент визуальной оценки снизился с 5 до 4 баллов.

На следующем этапе нами было проведено двухфакторное планирование эксперимен- та с целью установления наиболее эффективного режима ультразвуковой обработки для снижения скорости метаболических процессов при хранении картофеля. В качестве переменных факторов были выбраны мощность ультразвукового воздействия (Вт) и время воздействия (мин). В качестве контролируемого показателя – интенсивность дыхания, мг СО2/ч*кг.

Результаты математического моделирования представлены на рис. 5.

По результатам математического планирования с учетом физического смысла величин и характеристик прибора был установлен эффективный режим ультразвуковой обработки воды: мощность 405 Вт и время воздействия – 25 мин.

Для развитой в настоящее время сети предприятий общественного питания большое значение имеет обеспечение собственного производства картофельных полуфабрикатов. Применение безреагентных способов воздей-

Таблица 4

Результаты оценки влияния УЗВ на сохранение качества полуфабрикатов картофеля при хранении

Наименование образца картофеля с учетом режима обработки	Оценка, балл	Характеристика наблюдений
20–100	5	Внешний вид без явных изменений. Упаковка плотно прилегает к клубнеплодам без подвижности и пустот наполненных воздухом. Цвет не изменен и соответствует исходному
15–100	5	Внешний вид без явных изменений. Упаковка плотно прилегает к клубнеплодам без подвижности и пустот наполненных воздухом. Цвет не изменен и соответствует исходному
10–100	5	Внешний вид без явных изменений. Упаковка плотно прилегает к клубнеплодам без подвижности и пустот наполненных воздухом. Цвет не изменен и соответствует исходному
5–100	4	Внешний вид без явных изменений. Упаковка плотно прилегает к клубнеплодам с незначительной подвижностью. Цвет изменен незначительно в основном в местах точек роста
Картофель б/о контроль	3	Внешний вид сохранен, но клубнеплоды потеряли твердость, немного размякли. Упаковка неплотно прилегает, клубнеплоды подвижны. Цвет изменен в местах точек роста и местах физиологической порчи

y= 1,262*10-3х12+6,3*10-3 х22-9,25*10-4х1х2-0,205х1-0,23х2+16,89 (405 Вт и 25 мин)

Рис. 5. Зависимость интенсивности дыхания картофеля от мощности и длительности ультразвукового воздействия ствия в технологии полуфабрикатов из картофеля позволит обеспечить безопасность потребителей.

В ходе наблюдения было установлено положительное влияние УЗВ на потребительские свойства картофельных полуфабрикатов. В частности отмечено замедление интенсивности дыхания, что обусловило увеличение срока хранения при стабильности потребительских свойств.