Получение пищевых систем функциональной направленности с использованием соевого компонента

Под трансформацией мы понимаем изменение первоначальных состава и свойств сырья в процессе его переработки с приобретением новых качеств и характеристик. Трансформацию сырья и полуфабрикатов можно рассматривать как формирование пищевой системы (ПС) в виде какой-либо биохимической основы с предварительным или последующим ее обо- гащением функциональными пищевыми ингредиентами (ФПИ) до значимых количеств (более 15 %) (ГОСТ Р 52349–2005, ГОСТ Р 54059-2010) [1]. Как правило, это моно- и по-ликомпонентные пищевые основы, в качестве которых можно выделить белковые, липидные, углеводные, белково-липидные, белково-углеводные, липидно-углеводные и др. [2–4].

Под пищевой системой (ПС) мы понима- ем сырье, полуфабрикат или готовый продукт, прошедший определенную трансформацию с приобретением конкретного физико-химического состава и свойств.

Среди многообразия способов и методов получения пищевых систем можно выделить направление, связанное с переработкой зерна бобовых культур, овощей, корнеплодов и т. д. [5–9].

Данное направление включает, прежде всего, получение белковой дисперсной системы путем дезинтеграции предварительно замоченного зерна в водной или другой жидкой среде соответствующего физико-химического состава, отделением белковой дисперсной системы с последующей термокислотной коагуляцией белков, отделением сыворотки и получением конечных продуктов различной формы и содержания, посредством соответствующих технологических приемов и операций [10]. При этом получение ППФН предусматривает обогащение выбранной биохимической сырьевой или полуфабрикатной основы. Обогащение в данном случае, как более общая категория трансформации формы и содержания пищевой системы, предполагает наличие определенной логической последовательности выполнения соответствующих операций и процессов [7, 11].

Одним из способов обогащения определенной сырьевой или полуфабрикатной ПС функциональными пищевыми ингредиентами является процесс насыщения [4, 8, 11]. Обогащение пищевой системы осуществляется путем естественного или искусственного насыщения ФПИ. В обоих случаях происходит массоперенос, который характеризуется материальным балансом.

Цель работы : разработка и обоснование базовой структурной схемы получения пищевых систем функциональной направленности.

Задачи исследования : разработать и обосновать обобщенную схему видов и способов трансформации сырья и полуфабрикатов, направленных на обогащение пищевых систем ФПИ; разработать и обосновать базовую структурную схему получения пищевых систем функциональной направленности; разработать систему уравнений, характеризующих насыщение пищевых систем ФПИ в процессе их трансформации; привести примеры процесса насыщения пищевых систем ФПИ в процессе трансформации.

Результаты исследований

На рис. 1 представлена обобщенная схема видов и способов трансформации сырья и полуфабрикатов. Вполне очевидно, что процес-

Термический, механический, кинетический, бактериальный, биологический и др.

Рис. 1. Обобщенная схема видов и способов трансформации сырья и полуфабрикатов

сы, происходящие при трансформации, осуществляются в чистом виде, а ряд процессов реализуется параллельно.

При этом виды трансформации могут быть комбинированными. Например, экстракция и коагуляция является физико-химической трансформацией, которая сопровождается в большей степени процессами флокуляции и адсорбции [12]. Сквашивание относится и к биохимическому, и биотехнологическому виду трансформации, сопровождаемому процессом брожения, и является в то же время бактериальным способом. Замачивание, как вид физической трансформации сопровождается адсорбцией и является механическим и кинетическим способами трансформации. При этом трансформация может происходить при помощи нагревания, охлаждения, извлечения, смешивания, растворения и других процессов.

На рис. 2 приведена формализованная структурно-функциональная модель получения пищевых продуктов функциональной направленности путем последовательного насыщения сырьевой системы в виде соевого зерна соответствующими ФПИ.

Реализация процессов, представленных на рис. 2, описывается системой уравнений, которые характеризуют пищевую систему как последовательно насыщаемую ФПИ непрерывно или дискретно до их значимых количеств:

K_t = К , • е ^{C tT}^ , (1) где К_н - начальная концентрация ФПИ в пищевой системе (г, %).

^рI =~q^^{9 Н}^к /к_к= = [ ^{£ т} р ! ’ ⁽²⁾ где К_к - конечная концентрация ФПИ в пище-

Соевое зерно

Минерализованная водная среда (МВС)

Насыщение путем обезвоживания ПС

Насыщение соевого зерна

ФПИ путем поглощения МВС

Насыщение МВС ФПИ путем дезинтеграционно -экстракционного их извлечения из сои

Насыщение за счет концентрирования путем механического разделения

Коагулят-полуфабрикат

Насыщение ФПИ за счет концентрирования путем термокислотной коагуляции белков дисперсной ПС

Сыворотка

Насыщение ФПИ за счет концентрирования путем отжима и прессования полученной ПС

Жидкая фракция

Окара (жом)

Обогащенные пищевые системы - ППФН

Рис. 2. Формализованная структурно-функциональная модель получения пищевых систем, насыщенных ФПИ, содержащихся в обогащающих добавках на основе соевого зерна, путем соответствующей трансформации вой системе (г/100 г); С - эмпирический коэффициент (кинетическая константа).

В соответствии с рис. 2 для первой стадии биотехнологической трансформации исходной соевой сырьевой системы имеем, что

Св 1 =^1д(Кн 7^) = [ tз ], (3) СмВ1 “-кг где tH5 - продолжительность насыщения исходного соевого зерна минеральными веществами из состава минерализованной водной среды, с; [Дз] - продолжительность замачивания исходного соевого зерна, обусловленная технологическими требованиями, ч; СМ11 -кинетическая константа, характеризующая процесс насыщения соевого зерна минеральными веществами; КН1, Кк1 - начальная и конечная концентрации минеральных веществ в исходном и набухшем соевом зерне.

При этом прирост содержания минеральных веществ ( ^К 1 , %) в соевом зерне составит

^ДК1 = К к 1^{— К}н 1 , ⁽⁴⁾

В соответствии с тем же рис. 2 для второй стадии, но уже технологической трансформации, насыщенной минеральными веществами пищевой системы в виде набухшего соевого зерна, имеем, что

• ^дму 2 = Т² 19 ( ^н2 / К=[ = ^[ Дэ] ^] , ⁽⁵⁾ ^МВ2 ^1ХК2/

где [ _дэ ] - продолжительность дезинтеграционно-экстракционного процесса трансформации соевой пищевой системы согласно технологическим требованиям; , - начальное и конечное содержание минеральных веществ в водной среде, г; - кинетическая константа, характеризующая процесс извлечения минеральных веществ в минерализованную водную среду.

Соответствующий прирост содержания минеральных веществ ( АК 2 , %) в минерализованной водной среде составит:

^ДК2 = Н-Нмвс + ^Д К_мв , ⁽⁶⁾ где Ниссве - концентрация минеральных веществ в минерализованной водной среде, %; ДК _мв - количество минеральных веществ, извлеченных из соевого зерна в минерализованную водную среду посредством дезинтеграционно-экстракционного процесса, мг/100 г.

Аналогично, для извлечения минеральных веществ из композиций, например, соевотыквенной, соево-ламинариевой и т. д., формула имеет вид:

^Д Коком п = Ннмв с + Е£ = 1 ^Д Нмс а , (7)

где n - количество сырьевых компонентов в композициях.

Аналогичным образом можно записать и для другого ряда ФПИ (белок, витамины, липиды, углеводы, и др.), извлекаемых из соответствующих сырьевых компонентов в минерализованную водную среду в процессе дезинтеграционно-экстракционной трансформации исходного сырья.

Заключительный этап получения пищевых продуктов характеризуется насыщением базовой пищевой системы ФПИ путем компо-зиционирования составных компонентов, с одновременным формированием их однородной структуры и консистенции посредством перемешивания, гомогенизации и т. д.:

д Ном = г^1д ( ^К Н/к = [Д ком I ], (8) ^L ком I ^Х К КI'

где _ком - кинетическая константа, характеризующая процессы перемешивания, гомогенизации и т. д.

В качестве примера биотехнологической трансформации и насыщения пищевой системы ФПИ можно описать процесс получения обогащающей пищевой добавки на основе пророщенного соевого сырья. В данном случае проращивание соевого зерна осуществлялось в минерализованной водной среде в термостате при температуре 26 °С, относительной влажности воздуха 85 % в течение 24 часов, с последующей сушкой и измельчением в муку [13]. При этом насыщение пищевыми волокнами и минеральными веществами происходит на стадии проращивания в минерализованной водной среде при набухании соевого зерна, а также в процессе его сушки. На рис. 3 представлена зависимость прироста пищевых волокон ( ПВ ) в процессе проращивания и сушки соевого сырья.

Численное значение кинетической константы Спв составляет 0,0893 ч-1.

В процессе насыщения путем проращивания соевого зерна изменялось и содержание отдельных минеральных веществ. На рис. 4 представлена зависимость прироста калия в процессе насыщения соевого сырья минеральными веществами за счет его проращивания в минерализованной водной среде при температуре 26 °С в течение 48 часов.

Увеличение содержания минеральных веществ в процессе проращивания осуществляется за счет поглощения соевым зерном минерализованной воды и процесса набухания. При таком режиме основной прирост ми-

Рис. 3. Зависимость насыщения соевого сырья пищевыми волокнами в процессе проращивания и сушки

пв , ч

неральных веществ происходит в первые 24 часа проращивания. Далее (до 48 часов) увеличение содержания минеральных веществ незначительно (менее 1 %).

В качестве примера физико-химической трансформации и насыщения пищевой системы пищевыми волокнами можно представить дезинтеграционно-экстракционный процесс, используемый при получении продуктов с применением коагуляции белковых веществ в водной среде [10, 14–16].

На рис. 5 представлена зависимость насыщения соево-ламинариевой дисперсной системы пищевыми волокнами в зависимости от продолжительности дезинтеграционноэкстракционного процесса ( 1_дэ= t ^н_пв).

Из графика (см. рис. 5) видно, что максимальное количество пищевых волокон в соево-ламинариевой дисперсной системе достигается через 15 мин после начала дезинтеграционно-экстракционного процесса.

t ^H _дэ t, мин

Рис. 5. Зависимость степени насыщения соево-ламинариевой дисперсной системы пищевыми волокнами от продолжительности дезинтеграционно-экстракционного процесса (Спв = 0,2472 мин–1)

Заключение

Таким образом, разработана и обоснована формализованная схема видов и способов трансформации сырья и полуфабрикатов, направленных на обогащение пищевых систем функциональными пищевыми ингредиентами. Разработаны модели получения пищевых систем при помощи системы уравнений, описывающих процесс естественного или искусственного насыщения ФПИ (пищевые волокна, минеральные вещества, витамины и др.) в ходе биотехнологической и физико-химической трансформации. Для полученных экспериментальным путем зависимостей, характеризующих процесс насыщения пищевых систем минеральными веществами и пищевыми волокнами, определены кинетические константы, необходимые для проектирования и конструирования пищевых продуктов функциональной направленности.