Перспективная технология получения пищевой клетчатки из корневого цикория

Согласно современной теории, рацион питания человека должен ежедневно содержать весь установленный набор нутриентов в необходимом количестве и соотношении, а также балластные вещества. Роль последних в питании современного человека научно обоснована работами многих ученых [1, 2]. Баластные вещества представлены в основном клетчаткой – комплексом сложных нерастворимых углеводов, которые не подвергаются кислотному и ферментативному гидролизу в желудочно-кишечном

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

тракте человека и частично разрушающиеся в толстом кишечнике под воздействием микрофлоры, чем и объясняются их пищевые свойства. Основными источниками клетчатки являются отруби, непросеянная мука и хлеб из нее плоды, ягоды, овощи картофель [3, 4]. Суточная норма потребления клетчатки составляет 25–35 или 15–20 г на 1000 ккал пищевого рациона [5]. Более 90% потребляемых человеком продуктов (мясо, молочные продукты, рыба, яйца и т. д.) вообще не содержат клетчатки в среднем городской житель получает в составе рациона от 10 до 50 г [6]. Данный факт обуславливает важность производства пищевой клетчатки обогащения продуктов питания.

В литературе описаны различные способы и технологии обогащения клетчаткой мясных [1, 7], молочных продуктов [8], хлебобулочных [9], кондитерских изделий [10].

Основой для увеличения объемов производства пищевой клетчатки и повышения ее качества является организация сырьевой базы и совершенствование технологий ее получения. Говоря о сырье, перспективном для производства подобной продукции необходимо отметить корневой цикорий. Его используют в качестве сырья при производстве чайных и кофейных напитков, кондитерских и хлебопекарных изделий, маринадов, а также в медицинской промышленности [11, 12].

Важное значение имеет корневой цикорий как сырье для производства инулина [13]. В литературе описаны различные приемы, направленные на интенсификацию процесса извлечения инулина. В частности, приводится способ экстракции горячей водой, ультразвуковая экстракция, микроволновая экстракция, использование ферментов, сверхкритическая флюидная экстракция [14, 15].

При производстве инулина в качестве побочного продукта образуется рафинат – измельченная масса корнеплодов, содержащая остаточные количества биологически активных соединений, содержавшихся в исходном сырье. Перспективным способом его утилизации, соответствующим принципам экономики замкнутого цикла, является переработка на пищевую клетчатку.

Анализируя литературные источники по данному вопросу, можно отметить, что проблема получения пищевой клетчатки из корнеплодов цикория после экстракции из него инулина изучена недостаточно и имеет большой научный потенциал.

Материалы и методы

Исследования проводили на базе кафедры Технологии хранения и переработки плодоовощной и растениеводческой продукции

ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. В качестве объекта исследований были взяты корнеплоды цикория сорта Ярославский-1, выращенный на Ростовской опытной станции по цикорию – филиале ФГБНУ ФНЦО.

Биохимические показатели качества сырья определяли по общепринятым методикам: содержание сухих веществ – термогравиметрическим методом по ГОСТ 28561–90, сахаров – перманганатным методом по ГОСТ 8756.13–87, аскорбиновой кислоты – титриметрическим методом по ГОСТ 24556–89, инулин – хроматографическим методом.

Технологическая схема лабораторной переработки корнеплодов цикория осуществлялась по технологической схеме, описанной в [15].

Определение кинетических показателей процесса сушки проводили с использованием лабораторного стенда на базе микроволновой печи SAMSUNG SMART OVEN максимальной мощностью (N) 1000 Вт, работающей на частоте (f) 2450 МГц (рис. 1)

Определение качества полученной пищевой клетчатки проводили путем оценки ее органолептического описания и определения ее химического состава по ГОСТ 13496.2–91, ГОСТ 13496.4–2019, ГОСТ 13496.4–2016.

Рисунок 1. – Лабораторный стенд для определения кинетических показателей процесса сушки»

Figure 1. Laboratory stand for determining the kinetic parameters of the drying process

Результаты и обсуждение

Сорт корневого цикория Ярославский 1 выведен на Ростовской опытной станции по цикорию – филиале ФГБНУ ФНЦО, включен в Реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в 2022 году. Отличается корнеплодом цилиндрической формы, что оптимально для механизированной уборки. Продолжительность вегетационного периода 128 дней, урожайность – 182,0 ц/га.

Таблица 1.

Биохимические показатели качества корнеплодов цикория корневого сорта Ярославский 1

Table 1. Biochemical quality indicators of chicory root crops of the Yaroslavsky 1 root variety

Показатель | Indicator	Значение | Value
Сухое вещество, % | Dry matter, %	21,60
Массовая доля инулина, мг/100 г Mass fraction of inulin, mg/100 g	18,0
Витамин С, мг % | Vitamin C, mg%	2,40
Сумма сахаров, % | Total sugars, %	12,52
моно-сахара | mono sugars	1,45
ди-сахара | di-sugar	11,07

Сорт Ярославский 1 отличается высоким содержанием сухих веществ (показатель, находящийся в прямой корреляционной зависимости с содержанием клетчатки), богат легкоусваива-емыми сахарами (12,25%) и инулином (18,0%). Ранее проведенные исследования [16] показали, что данный сорт по содержанию инулина превосходит многие отечественные и зарубежные сорта, и поэтому представляет большой интерес для данного способа переработки.

Получение инулинового концентрата осуществляли путем измельчения корнеплодов на терочной поверхности с каплевидными отверстиями и экстрагирования методом водной экстракции при гидромодуле 1:3 при температуре 90 °С.

При проведении лабораторных исследований кинетики сушки определяли такую характеристику, как съём сухого продукта с единицы рабочей площади в час Y, кг/(м2·ч):

Y = M (1)

Ft где M – масса полуфабриката, подвергаемого сушке; F – площадь, занимаемая сырьем, м2; τ – продолжительность сушки, час;

Параметры сушки рафината на лабораторном стенде представлены в таблице 2

Таблица 2. Режимные параметры процесса микроволновой сушки исследуемого рафината

Table 2.

Process parameters of microwave drying of the studied raffinate

W н , кг/кг	f , МГц	N , Вт	h , см	W к , кг/кг
0,64	2450	360	5,0	0,1
		540
		720
		900

Результат проведённых экспериментальных исследований процесса микроволновой сушки цикория корневого и расчета удельной производительности Y , кг/(м²·ч) представлен в таблице 3

Таблица 3. Данные по экспериментальному исследованию процесса сушки на опытной установке

Table 3.

Data on the experimental study of the drying process in a pilot plant

Мощность СВЧ, Вт Microwave power, W	Съем сухого продукта с единицы площади, кг/(м2·час) Consumption of dry product per unit area, kg/(m2⋅hour)	Время, мин Time, min
360	14,75	56
540	25,89	32
720	31,91	26
900	подгорание продукта burning of the product

Из представленной таблицы следует, что с увеличением мощности от 360 до 720 Вт отмечается сокращение продолжительности сушки от 25 до 26 мин и соответственно увеличивается величина съема сухого продукта с единицы площади от 17,55 до 31,91 кг/(м2·час). Увеличение мощности СВЧ до 900 Вт недопустимо, так как при этом отмечалось очаговое подгорание рафината.

При мощности 540 и 720 Вт температура внутри камеры находилась на уровне 100–110 °С, но увеличение мощности не привело к существенному сокращению продолжительности сушки, и целесообразным следует считать только 2 мощностных параметра – 360 и 540 В.

Установлено, что при мощности излучения 540 Вт средняя температура объекта обезвоживания составляла 98,3 °С. Это объясняется тем, что при микроволновой сушке пищевого продукта, энергия эффективно поглощается водой, содержащейся в сырье. Как только вода достигает температуры, близкой к точке кипения, большая часть энергии, поглощаемой от микроволн, используется для фазового перехода – испарения воды. Этот процесс требует значительного количества энергии, и до тех пор, пока в продукте остается достаточное количество воды для испарения, температура продукта не будет значительно превышать температуру кипения воды (около 100 ℃). Мощность микроволновки (540 Вт) может быть достаточной для поддержания этого процесса испарения, но недостаточной для быстрого удаления всей воды и значительного повышения температуры продукта выше температуры кипения за 30 минут. Другими словами, энергия, которую продукт получает от микроволновки, в основном расходуется на то, чтобы превратить воду в пар, а не на повышение температуры самого продукта, т. е. пока есть вода для испарения, температура будет стабилизироваться около 100 ℃.

Динамика изменения влажности рафината в зависимости от продолжительности сушки представлена на рисунке 2

Рисунок 2. Динамика изменения влажности рафината в процессе сушки при мощности СВЧ 540 Вт

Figure 2. Dynamics of changes in raffinate moisture content during drying at a microwave power of 540 W

Таким образом, оптимальными параметрами для СВЧ сушки рафината цикория следует признать следующие: мощность СВЧ излучения 540 Вт, продолжительность – 32 мин. При этом остаточная влажность приближается 10%, при которых невозможно развитие на готовом продукте патогенной микрофлоры и обеспечивается его длительное хранение.

Технологическая схема получения пищевой клетчатки из корнеплодов цикория включала в себя следующие операции: сепарация рафината с отделением твёрдой фракции с возвращением в технологический процесс полученного на этом этапе диффузного сока, микроволновая сушка твердой фракции при установленных параметрах, измельчение на ножевой дробилке, фасовка.

Готовый продукт имел вид однородного порошка светло-коричневого цвета с размером частиц 0,3–0,5 мм. Вкус нейтральный, с легким горьковатым привкусом, обусловленный наличием остаточного содержания интибина. Аромат слабо-выраженных, характерный для исходного сырья.

Полученный продукт анализировали по основным показателям, определяющим ее потребительских характеристики (остаточная влажность, массовая доля клетчатки, белков, жиров) по методикам, указанным выше. Результаты их определения и статистическая обработка полученных данных представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Химический состав пищевой клетчатки, полученной из рафината цикория, %

Table 4.

Chemical composition of dietary fiber obtained from chicory raffinate, %

Показатель Indicator	Среднее значение, x:   \ The average value, x       \	Дисперсия, Variance, S 2	Стандартное отклонение, S Standard deviation, S	Коэффициент вариации, V Coefficient of variation, V	Относительная ошибка выборочной - Sx средней Relative error of the sample mean
Сухое вещество Dry matter	89,0 ± 0,62	1,9	1,4	1,6	0,7
Клетчатка | Fiber	77,6 ± 0,61	1,9	1,4	1,8	0,7
Белки | Proteins	3,6 ± 0,11	0,1	0,3	8,3	3,05
Жиры |Fats	0,14 ± 0,02	0,0	-	-	14,2

На основании проведенных исследований было установлено, что при массовой доле сухих веществ в готовом продукте 89% содержание сухой клетчатки составляет 77,6%, или 87,2% от общего содержания сухих веществ. За счет концентрирования нерастворимых в воде белков при высушивании рафината их концентрация в конечном продукте возрастает до 3,6%. Также были выявлен жир в следовых количествах.

Таким образом, полученный продукт может быть использован для обогащения клетчаткой различных видов продуктов питания, в том числе и хлебобулочных изделиях, сочетаемость которых с продуктами переработки цикория доказана ранее проведенными работами [17], а также может реализовываться как пищевая добавка пребиотического действия.

Для получения экстракта и готового продукта авторами была разработана и запатентована установка, принцип действия которой заключается в активации процесса экстракции и сушке рафината с использованием СВЧ энергии [18].

Shapovalova P.N. et al. Proceedings of VSUET, 2025, vol. 87, no. 3, pp. 170-176 Заключение

На основании проведенной научноисследовательской работы можно сделать следующие выводы:

• 1.    Цикорий сорта Ярославский 1 является ценным сырьем переработки вследствие высокого содержания в корнеплодах нативного инулина (до 18%) и цилиндрической формы корнеплода, оптимальной для его механизированной уборки.

• 2.    Получение пищевой клетчатки является оптимальным способом использования рафината, образующегося после отделения диффузного сока из измельченных корнеплодов цикория корневого.

• 3.    Установлены оптимальные параметры СВЧ сушки рафината из цикория Они имеют следующий вид: мощность СВЧ – 540 Вт, продолжительность 32 мин. Остаточная влажность высушиваемого продукта обеспечивает его стойкость при хранении и устойчивость к микробной порче.

• 4.    Готовый продукт содержит 77,6% сырой клетчатки, что составляет 87,2% от общего содержания в нем сухих веществ, 3,6% белков и следовое количество жиров. По своим органолептическим характеристикам его можно использовать для обогащения клетчаткой различных видов продуктов питания, а также реализовывать как пищевую добавку пребиотического действия «Растительная клетчатка».