EXTRUDATES FROM VEGETABLE RAW MATERIALS WITH A HIGH CONTENT OF LIPIDS

Full Text

Разработка продуктов с повышенной пищевой и биологической ценностью, а также продуктов профилактического и диетического назначения требует расширения и совершенствования сырьевой базы. Одним из таких направлений может стать производство нового поколения пищевых полупродуктов (композитов) повышенной биологической ценности. Такие композиты могут быть использованы в качестве обогатителей, заменителей или улучшителей в производстве новых, а также традиционных пищевых продуктов [1]. Известно, что рацион питания большинства жителей России в той или иной мере дефицитен в отношении полиненасыщенных жирных кислот (омега-3, омега-6), растворимых и нерастворимых пищевых волокон (пектин, камеди, слизи, целлюлоза и др.), витаминов (группы В, Е и др.), а также широкого спектра минеральных веществ. В многочисленных работах, выполненных в последние 10-15 лет, данную проблему предлагается решить путем разработки натуральных пищевых обогатителей на основе продуктов переработки растительного сырья с высоким содержанием липидов (плодов расторопши пятнистой, семян тыквы и т.д.). К примеру, плоды (семена) расторопши пятнистой содержат полиненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамины Е и группы В, клетчатку, а также флаволигнан силимарин, обладающий сильным гепатопротекторным и антиоксидантным действием. При этом аминокислотный состав белка семян расторопши пятнистой позволяет говорить о его весьма высокой биологической ценности (АС по лизину = 0,77). Продукты переработки расторопши пятнистой широко используются при изготовлении лекарственных препаратов, обеспечивающих защиту печени от токсических и аллергических повреждений, и могут применяться в пищевых технологиях в виде экстракта, масла, порошка нативных и обезжиренных семян [2, 3, 4]. В выполненных до настоящего времени работах, в качестве объекта исследования предлагалось использовать вторичный продукт переработки расторопши - шрот. Химический состав шрота (ТУ 9141-005-46899394-04) позволяет рекомендовать его в качестве натурального обогатителя пищевых продуктов белком (21,88%), жиром (12,87%), клетчаткой (27,38%), флавоноидами (2,5%), витаминами и минеральными веществами. В то же время исходя из состава и механизма действия масло и шрот расторопши пятнистой рекомендуется применять вместе [5]. Основываясь на практике применения экструдата семян тыквы при разработке функциональных пищевых добавок, можно предположить, что разработка таких продуктов на основе нативных семян расторопши пятнистой может быть весьма актуальной. При этом следует отметить, что экструдирование растительного сырья с содержанием липидов более 8-10% в чистом виде без добавления каких-либо наполнителей не практикуется [6]. Цель исследований - обосновать основные технологические параметры и оценить степень их влияния на процесс получения экструдатов из растительного сырья с повышенным содержанием липидов. Задача исследований - определить рациональное значение факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество экструдата расторопши пятнистой. Научная гипотеза данных исследований базируется на следующих положениях: 1) процесс экструдирования растительного сырья с повышенным содержанием липидов можно оптимизировать за счет его переработки в смеси с крахмалсодержащими ингредиентами; 2) на качество получаемого экструдата влияет не только влажность обрабатываемой смеси, но и содержание воды в каждой из ее составляющих частей; 3) при производстве экструдатов с повышенным содержанием липидов нагрев обрабатываемого сырья не должен превышать 100-105°C, а полученный продукт должен быть охлажден и обезвожен до содержания влаги 6-7% сразу же после выхода из фильеры матрицы экструдера. При этом общие подходы к получению и оценке экструдатов в данной работе учитывали ранее проведенные авторами исследования [7, 8, 9] и опыт применения экструдированных смесей нескольких растительных ингредиентов [10]. Материалы и методы исследований. Исследования проводились с помощью экспериментальной установки, в состав которой входит одношнековый пресс-экструдер, укомплектованный вакуумной камерой с выгрузным шлюзовым затвором. Пониженное давление в вакуумной камере создавалось с помощью вакуумного насоса, вакуум-регулятора и вакуум-баллона. Вакуум-регулятор позволял поддерживать необходимое давление в вакуумной камере, а вакуум-баллон служил для сглаживания возможных колебаний давления в системе и сбора конденсата, получаемого при охлаждении паровоздушной смеси, откачиваемой из вакуумной камеры. Выгрузка готового экструдата без разгерметизации вакуумной камеры обеспечивалась с помощью шлюзового затвора, выполненного в виде корпуса цилиндрической формы и вращающейся в нем восьмилопастной крыльчатки (ротора) на шариковых подшипниках. В качестве объекта исследования были выбраны семена расторопши пятнистой и зерна пшеницы, которые экструдировали в течение 15-20 с при температуре 100-105°C с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,05 МПа. Частота вращения шнека пресса-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр фильеры матрицы экструдера - 4 мм. Эксперимент проводился в трехкратной повторности. В качестве факторов были выбраны: содержание расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1 (%), влажность семян расторопши - x2 (%) и влажность зерна пшеницы - x3 (%). За критерий качества был принят индекс расширения экструдатов - B (коэффициент взрыва). При поиске оптимальных условий протекания процесса экструдирования и получения экстремума критерия качества в почти стационарной области, где поверхность отклика имеет значительную кривизну, целесообразно использовать модель в виде полинома второй степени. Программа эксперимента была реализована с помощью центрального композиционного униформ-ротатабельного планирования, состоящего из трех уровней: факторного плана типа 23, составляющего «ядро» центрального композиционного плана; звездных точек, на осях факторного пространства и дополняющих опытов в центре плана. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в таблице 1. Таблица 1 Матрица планирования и результаты эксперимента Система опытов № опыта Кодированные факторы Натуральные факторы Индекс расширения Х1 Х2 Х3 х1 х2 х3 Полный факторный эксперимент типа 23 1 -1 -1 -1 20,0 10,0 14,0 2,8 2 -1 -1 +1 20,0 10,0 22,0 3,1 3 -1 +1 -1 20,0 20,0 14,0 3,8 4 -1 +1 +1 20,0 20,0 22,0 2,8 5 +1 -1 -1 40,0 10,0 14,0 2,0 6 +1 -1 +1 40,0 10,0 22,0 2,7 7 +1 +1 -1 40,0 20,0 14,0 3,2 8 +1 +1 +1 40,0 20,0 22,0 2,9 Опыты в «звездных» точках 9 -1,68 0 0 13,2 15,0 18,0 4,8 10 +1,68 0 0 46,8 15,0 18,0 1,8 11 0 -1,68 0 30,0 6,6 18,0 1,5 12 0 +1,68 0 30,0 23,4 18,0 3,2 13 0 0 -1,68 30,0 15,0 11,3 1,8 14 0 0 +1,68 30,0 15,0 24,7 2,0 Опыты в центре плана 15 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,4 16 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,5 17 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,5 18 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,6 19 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,4 20 0 0 0 30,0 15,0 18,0 2,5 Результаты исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных была выполнена с помощью корреляционно-регрессионного анализа в среде Microsoft Excel 2010 и Statistica 10, в результате чего была получена адекватная математическая модель второго порядка (1), описывающая зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1, влажности экструдируемой расторопши - x2, и пшеницы - x3. В общем виде искомая по композиционному плану второго порядка математическая модель достаточно надёжно аппроксимируется уравнением: (1) На основании полученных экспериментальных данных были определены коэффициенты уравнения регрессии и получена математическая модель, связывающая значения параметра оптимизации с условиями его получения. С учётом значимых коэффициентов модель будет выглядеть следующим образом: (2) Оценим статистическую надежность полученного уравнения регрессии с помощью общего критерия Фишера, который проверяет нулевую гипотезу о статистической незначимости параметров построенного регрессионного уравнения и показателя тесноты связи. Фактическое значение F-критерия Фишера для полученного уравнения регрессии Fp=4,06. Сравним его с табличным значением F-критерия (Fт), по заданным уровню значимости (α=0,05) и числу степеней свободы (в пакете Statistica: сс модели=9, сс остаток=10) Fт=3,02. Поскольку Fр > Fт, то нулевая гипотеза отвергается. Таким образом, признается статистическая значимость регрессионного уравнения и его параметров. Анализ полученного уравнения показывает, что на индекс расширения экструдата наибольшее влияние оказывают влажность пшеницы (коэффициент регрессии 0,390), содержание расторопши в экструдируемой смеси (коэффициент регрессии 0,360) и влажность расторопши (коэффициент регрессии 0,236). Эффекты межфакторных взаимодействий имеют малое влияние на критерий качества, за исключением, незначительно выделяющимся взаимодействием факторов x2 и x3 (влажности экструдируемой расторопши и пшеницы). Множественный коэффициент корреляции для модели R = 0,89, коэффициент детерминации R2 = 0,79, статистическая значимость составляет p<0,02. Полученная математическая модель адекватна опытным данным при доверительной вероятности 95 %. Для поиска экстремума функции регрессии и факторов, наиболее сильно влияющих на критерий оптимизации, воспользуемся геометрической интерпретацией оптимизируемой функции и изучим поверхность отклика в частных зависимостях. По полученному уравнению регрессии (2) были построены поверхности отклика в частных случаях (рис. 1, 2, 3). Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1 и влажности экструдируемой расторопши - x2 представлена на рис. 1 (цифры показывают числовые значения коэффициента взрыва в отмеченных областях поверхности отклика). Рис. 1. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1 и влажности экструдируемой расторопши - x2 Графический анализ поверхности отклика (рис. 1) показывает, что заметное влияние на коэффициент взрыва оказывает содержание семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1, причем оптимальные значения этого параметра колеблются в диапазоне 10-15%. Процент содержания влаги в экструдируемой расторопше - x2 с возрастанием плавно увеличивает коэффициент взрыва (B=4,5...5,0), при оптимальном диапазоне 16-26%. Рис. 2. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от содержания семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1 и влажности пшеницы - x3 Анализ поверхности отклика (рис. 2) подтверждает результат, изображенный на поверхности отклика (рис. 1). Так, содержание семян расторопши пятнистой в экструдируемой смеси - x1 оказывает сильное влияние на коэффициент взрыва (B=4,0…4,5) в районе тех же 10-15%. При этом влажность пшеницы - x3 оптимальна в диапазоне 10-18%. Рис. 3. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва от влажности экструдируемой расторопши - x2 и влажности пшеницы - x3 Экстремум коэффициента оптимизации находится в диапазоне 3,5-4,0 при рассмотрении факторов влажности экструдируемой расторопши - x2 и влажности пшеницы - x3, причем из рисунка 3 видно, что оптимальной влажностью расторопши будет 16-26%, а оптимальной влажностью пшеницы 10-18%. Также наблюдается межфакторный эффект взаимодействия, когда для достижения максимума коэффициента взрыва должно соблюдаться условие: при увеличении влажности расторопши в пределах оптимальных значений (16-26%) влажность пшеницы в диапазоне своих оптимальных значений (10-18%) должна уменьшаться и наоборот. Результаты экспериментальных исследований показывают весьма важную в практическом плане закономерность: при одинаковой влажности расторопши и пшеницы и, тем более при влажности пшеницы большей, чем влажность расторопши, процесс экструдирования смеси ухудшается. При этом в экструдате встречаются частицы необработанной пшеницы. Поэтому в дальнейшем было принято решение для получения экструдатов с повышенным содержанием липидов в качестве наполнителя использовать пшеницу с влажностью 14-15 %, при влажности расторопши пятнистой 22-24%. Такие параметры экструдируемого сырья позволяют получить приемлемое качество экструдата с высоким содержанием липидов (6,0-7,5%) при содержании в обрабатываемой смеси 20-25% расторопши пятнистой. Коэффициент взрыва получаемого экструдата находится в пределах 3,5-4,0. Заключение. Для получения экструдата расторопши пятнистой с приемлемым коэффициентом взрыва (3,5-4,0) в качестве наполнителя можно использовать пшеницу с влажностью 14-15% в количестве 75-80% к экструдируемой массе. При этом влажность экструдируемой расторопши необходимо поддерживать в пределах 22-24%.

About the authors

A A Kurochkin

FSBEI HVE Penza STU

Email: anatolii_kuro@mail.ru
dr. of techn. sciences, prof. of the department «Food productions» 440039, Penza, Gagarin, 11 str

G V Shaburova

FSBEI HVE Penza STU

Email: Shaburovs@mail.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Food productions» 440039, Penza, Gagarin, 11 str

D I Frolov

FSBEI HVE Penza STU

Email: surr@bk.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Food productions» 440039, Penza, Gagarin, 11 str

P K Voronina

FSBEI HVE Penza STU

Email: worolina89@mail.ru
post-graduate student of the department «Food productions» 440039, Penza, Gagarin, 11 str

References

Supplementary files