1.6 Нове в технології переробки журавлини та дикорослих ягід

Над проблемою переробки дикорослих ягід давно замислюються багато науковців з різних країн світу. Наприклад використання різних видів попередньої обробки дикорослих ягід, таких як обробка ферментними препаратами, заморожування призводить до більш значного вилучення барвних речовин із сировини завдяки пошкодження клітинних мембран та оболонок.

1.6.1 Обробка дикорослих ягід у вихровому шарі феромагнітних частинок обертового змінного електромагнітного поля та обробка апаратами високоградієнтних полей

Відомо, що одним із прогресивних методів обробки харчової сировини є електрофізичні (ультрозвук,електромагнітна обробка і т.д), які використовуються з метою інтенсифікації процесів виробництва. Преспективною є обробка харчових продуктів у вихровому шарі феромагнітних часток (ВШФЧ) змінного електромагнітного поля (ЕМП).В науковій літературі практично відсутні дані з її використаггя при переробці плолдів та одержання пастоподібних напівфабрикатів із дикорослих ягід. [69]

У зв'язку з вишевикладеним у ХДУХТ сумісно з Дібровською Н.В. та Крячко Т.В. під керівництвом проф. Павлюк Р.Ю. вперше були розроблені нові технології пастоподібних функціональних оздоровчих добавок-барвників із дикорослих ягід – чорноплідної горобини, калини, бузини чорної, з використанням попередньої обробки у ВШФЧ ЕМП які відрізняються високим вмістом БАР та кількістю антоціанових барвних речовин.

Вперше було науково обгрунтовано і розроблено новий спосіб активації БАР та біополімерів ягідної сировини з використанням попередньої обробки у ВШФЧ ЕМП, також втановлено, що обробка і подрібнення дикорослих ягід у вихровому шарі феромагнітних частинок обертового змінного електромагнітного поля не лише інактивує окислювальні ферменти, але й призводить до більш повного вилучення із них біологічно активних речовин: атноціани – на 28…32%, флавонолових глікозидів – на 27…37%, катехінів – на 30…36%, L-аскорбінової кислоти – на 12…18%, збільшення загальної кількості цукрів на 10-12% по відношенню до вихідної сировини. Пояснюється це тим, що під час обробки ягід у ВШФЧ відбувається поляризація та зміщення зв'язаних електронів в атомах і атомів в електронах, а також внутрішньомолекулярної і міжмолекулярна перебудова, суттєва орієнтація диполів води в одному напрямку, що призводить до значних пошкоджень і руйнування клітин і більш повного вилучення БАР і переходу їх із зв'язаного стану в вільний. Також на основі пастоподібних функціональних вітамінних добавок-барвників із дикорослих ягід розроблені нові технології та рецептури желейних оздоровчих страв (желе, мусів, самбуків), які характеризуються високим вмістом БАР і природних антиокислювачів для оздоровчого харчування.[42, 69].

1.6.2 Нове в технології заморожування ягід

На сьогодні швидке заморожування є прогресивним способом консервування усіх видів продуктів харчування, у зв'язку з тим, що при цьому зберігаються поживна цінність і смакові властивості сировини. Виявлено та підтверджено, що чим інтенсивніший режим заморожування продукту (висока швидкість заморожування до кінцевої температури близько - 35^о С), тим кращі споживчі властивості продукту, досягається рівномірне та швидке утворення дрібних кристалів льоду, що в свою чергу, забезпечує повне зберігання біологічно активних речовин. [87]

Заморожувати харчові продукти можна різними способами в залежності від характеру контакту з хладагентом: заморожування потоком холодного повітря та заморожування з використанням охолоджуючих речовин, контактне та без кантактне з хладагентами.

При заморожуванні відбувається часткове або повне припинення дії мікроорганізмів, уповільнення біологічних процесів, обумовлених дією ферментів продукту, а також зниження швидкості фізичних та хімічнихзмін, протікаючих під впливомзовнішнього середовища. [36]

За кордоном на сьогоднішній день швидкозамороженої продукції споживають 20 – 60 кг на людину. Кожного року виробництво подібної продукції збільшується на 8–12 %, це повязують з все зростаючою зайнітістю людий, що не дає змогу приділяти багато часу на приготування їжі. В Україні споживання швидкозамороженої продукції складає 0,8 кг на душу населення.

До холодильного обладнання у якому заморожування відбувається потоком холодного повітря належать конвеєрні холодильні апарати (з стрічковим або спіральним конвеєром), холодильні камери (або тунелі), де в якості хладагента використовують повітря. До холодильного обладнання де заморожування проходить з використанням охолоджуючих речовин, відносять плиткові апарати (з охолоджуючими плитками), погрузочні апарати (з охолоджуючою рідиною, в яку погружається продукт), а також кріогенна заморозка. Кріогеннє заморожування дозволяє заморожувати дуже швидко, а значить якість продукції буде вище. [12]

При кріогенному заморожуванні, де використовуються низьки температури, якє забезпечують найбільш повне зберігання вітамінів та інших біологічно активних речовин. З існуючих хладагентів, найкраще для заморожування підходить рідкий азот. [74]

В останній час виникла потреба у розробці більш дешевих та екологічно чистих методів заморожування харчових продуктів, тому все частіше стали застосовувати кріогенне заморожування. Цей метод засновано на безмашинній проточній системі холодозабезпечення, в якій передбачено одноразове використання робочої рідини. [85]

Слід звернути увагу, що данний метод заморожування вважається більш екологічним, бо, як ми знаємо, в атмосіері нашої планети його міститься приблизно 80%. Але єдиним недоліком є упаковку продукції. [67].

Кріогенне заморожування називають «шоковою» заморозкою, оскільки швидкість заморожування складає 100 см/год. Це досягається за рахунок того, що відведення тепла від продукту відбувається за допомогою зріджених газів – азоту (ГОСТ 9293-74) [71] та вуглекислоти (ГОСТ 8050-85), які володіють дуже низькою температурою кипіння при атмосферному тиску (-196^о С для рідкого азоту). Внаслідок цього досягається велика різниця температур та дуже висока інтенсивність теплопередачі від поверхні. Речовини, які використовуються для заморожування безпечні при безпосередньому контакті з харчовими продуктами, для організму людини, а також інертні відносно матеріалів конструкції. При випаровуванні, коли вони контактують з теплим продуктом, кріогенні рідини приймають газоподібний стан. Цей же газ можна використовувати для попереднього охолодження продукту. З метою ефективного використовування кріогенної речовини та отримання більш рівномірного температурного поля потоки продукту та хладагенту рухаються впротилежних напрямках, а температура газу, що випускається в повітря залишається стабільно високою (-50^о…-10^о С). При «шоковому» заморожуванні в середені клітин продукту утворюються крислати льоду розміром 2 – 3 мкм, які рівно розподіляються за всією площею поверхні продукту, що піддається заморожуванню. Плюсом є те, що при високій швидкості заморожування структура продукту не порушується та не відбувається розслоювання рідких фаз. Продукт не втрачає вологи при заморожуванні, адже не піддається довгій обробці дії холодного повітря. Кріогенне заморожування є єнергоекономічним, бо при його використанні енергоспоживання мінімальне та складає 2 – 10 кВт. [72].

Харчові продукти заморожувти в середовищі рідкого азоту можна двома способами - способом занурення або зрошення. [76]. Спосіб занурення продукту в рідкий азот найбільше використовується для заморожування продуктів, які мають сферичну форму, або для продуктів, що в подальшому підлягатимуть подрібненню. Пояснити це можна тим, що виникає внутрішня напруга в продукті, що призводить до виникнення тріщин. Для зменшення витрат рідкого азоту при заморожуванні використовують метод зрошення на продукт, який є більш економічним в порівнянні з зануренням в азот. При заморожуванні методом зрошення використовують різного виду форсунки з великим конусом факелу, які можуть виконувати розпилення рідкого азоту до дрібнодисперсного стану. При цьому коефіцієнт корисної дії скоромозильних апаратів, які використовують спосіб зрошення продукту азотом, складає 0,7…0,85 зурахуванням втрат в середені апарту та в резервуарі для зберіганнярідкого азоту. [79].

При заморожуванні харчових продуктів важливе значення має зародження та зростання кристалів (величина). Ці процеси залежать від температури та швидкості і мають безпосередній вплив на якість продукції. Критичною фазою процесу заморожування являється, та, при якій продукт проходить температурний діапазон від 0 до -5^о С. Занадто довго в цьому діапазоні продукту знаходиться не бажано, бо утворюються крупні кристалики льоду, які оказують на нього негативний механічний та осмотичний тиск. Рідкий азот являється ефективним хладагентом, який відповідає критеріям швидкого заморожування. Навіть за кордоном виробники заморожених напівфабрикатів широко використовують азот у якості хладагенту. [73]

Перевагою даного способу можна вважати можливість працювати з різними продуктами, необхідно лише змінювати швидкість руху продукту та подачу хладагента. Кріогенне заморожування підходить для продуктів, що підлягають індивідуальному швидкому заморожуванню, для тих що мають великий вміст вологи та ніжну консистенцією, наприклад ягоди.

Останніми роками науковцями України все частіше проводяться дослідження про вплив заморожування та різних режимів заморожування на зміну біологічних, фызичних та хімічних властивостей рослинної сировини.

У ХДУХТ на базі наукової школи зав. кафедри, д.т.н., проф. Павлюк Р.Ю. були проведені та науково обґрунтовані роботи у напрямку кріогенного заморожування різної рослинної сировини. Деякі з робіт наведені нижче.

1. Кріогенне заморожування при отриманні функціональних каротиноїдних добавок з гарбуза.

Робота була присвячена розробці нових заморожених функціональних каротиноїдних добавок із гарбуза з використанням процесів кріогенного заморожування, механоактивації та механодеструкції, впливу цих процесів на зберігання каротиноїдів та інших БАР гарбуза при отриманні пастоподібних добавок, оцінка якості в процесі виготовлення, зберігання та створення каротиноїдних оздоровчих напоїв з їх використанням.

2. Низькотемпературна активація гідрофільних властивостей каротиноїдів під час переробки каротиновмісних овочів

При виконанні даної роботи виявлено закономірності та механізм впливу заморожування на збереження каротиноїдів та активацію їх гідрофільних властивостей під час переробки каротиновмісних овочів та отримання заморожених БАД – фарбників–збагачувачів водорозчинними формами каротиноїдів.

Після проведення дослідів уперше було встановлено, що порівняно з вихідною сировиною (свіжими каротиновмісними овочами) використання «шокового заморожування» до температури - 35°С призводить до збільшення масової частки каротиноїдів в 2…2,5 рази та активації їх гідрофільних властивостей, тобто перехід деякої частини каротиноїдів у водорозчинну форму, а також до збільшення масової частки аскорбінової кислоти. Отримані експериментальні дані дозволяють по-новому уявити вплив процесів заморожування на каротиноїди та активацію їх гідрофільних властивостей під час переробки рослинної сировини.

3. Високі технології каротиноїдних фіто добавок профілактичної дії з моркви та їх використання в продуктах харчування.

В даній роботі вперше було запропоновано, науково обґрунтовано та реалізовано використання гомогенізації як засобу підвищення якості кінцевого продукту за рахунок процесів механоактивації, які призводять до підвищення вилучення низькомолекулярних біологічно активних речовин із зв'язаного стану у вільний.

4. Вплив кріогенного заморожування ягід з різними швидкостями на вегетативні форми мікроорганізмів.

Виявлено, що при “шоковому заморожуванні” з використанням високих і надвисоких швидкостей до температури нижчої (-35…-40 °С), ніж при традиційному заморожуванні (до -18°С) призводить до значного зменшення кількості вегетативних форм мікроорганізмів. На основі отриманих результатів досліджень розроблено новий низькотемпературний спосіб зниження кількості мікроорганізмів при заморожування з використанням рідкого та газоподібного азоту та розроблена технологія кріогенного заморожуванні ягід та паст із них.

5. Нове про вплив процесів механодеструкції та механоактивації під час дрібнодисперсного подрібнення на нанокомплекси біополімерів моркви.

В цій роботі було показано, що використання дрібнодисперсного подрібнення висушеної моркви призводить до механодеструкції та механоактивації біополімерів білків, який проявляється в механолізі білків і трансформації зв'язаних амінокислот в білках у вільну та розчинну форму. Використання такого технологічного прийому як механоактивація під час дрібнодисперсного подрібнення висушеної бланшованої моркви з високим вмістом важкорозчинного білка дозволило отримати швидко розчинні наноструктуровані порошки з максимальним розміром часток 20…30 мкм.

6. Нанотехнології добавок із хлоровмісних овочів з рекордним вмістом хлорофілу та інших БАР з використанням механодиструкції.

У даній роботі головним було збереження та стабілізація хлорофілу, каротиноїдів та L-аскорбінової кислоти у хлорофілвмісних овочів. У зв'язку з цим було з'ясовано вплив деяких факторів на ферментативне окислення каротиноїдів та L-аскорбінової кислоти нарізаних хлорофілвмісних овочів перед сушінням, а також на інактивацію окислювальних ферментів. [4]

7. Нове в технології заморожування ягід із застосуванням газоподібного азоту в скороморозильному тунельному апараті.

В даній роботі показано, що при заморожуванні ягід у скороморозильному апараті із застосуванням газоподібного азоту і високих швидкостей заморожування до більш низьких температур (-35°С), ніж традиційні (-18°С), дозволяє не тільки зберегти біологічно активні речовини (наприклад антоціанові барвні речовини, L- аскорбінова кислота, фенольні сполуки та інші), а ще збільшення вилучення БАР. Були розроблені технології заморожених ягід і паст з використанням газоподібного азоту, виявлено закономірності і механізм впливу швидкого заморожування на збереження і вилучення БАР ягід. Нові біологічно активні добавки мають імуномоделюючою дією, яке підтверджено медико - біологічними випробуваннями. [5]

8. Вивчення впливу кріогенного заморожування, кріодеструкції та механодеструкції на пектинові речовини ягід.

Метою цієї роботи було виявлення закономірностей і механізму впливу заморожування, керіодеструкції та механоактивації на трансформацію пектинових речовин із зв’язаної форми у вільну та водорозчинну, а також целюлози, органічних кислот, білку при отриманні пастоподібних гомогенізованих заморожених БАД із ягід. У даній роботі вперше встановлено, що при високих і повільних швидкостях заморожування до - 18°С …- 20°С і при подальшому подрібненні ягід (чорноплідної горобини, червоної смородини, журавлини) відбувається істотна деградація і кріодеструкція біополімерів – пектинових речовин, целюлози і білка. Збільшується загальна кількість пектинових речовин, протопектин трансформується в розчинний пектин і галактоуронову кислоту за рахунок не ферментативного руйнування водневих і іонних зв’язків в протопектин і паралельно відбувається деструкція і дегратація целюлози і білку. [6]

9. Нові технології консервованих заморожених функціональних оздоровчих добавок із дикорослих ягід з рекордним вмістом антоціанів.

В даній роботі було виявлено закономірності впливу різних швидкостей заморожування до різних кінцевих температур ( з використанням рідкого та газоподібного азоту) вітамінної рослинної сировини (ягід), кріопротекторів, процесів механоактивації на біологічно активні комплекси і біополімери при отриманні пастоподібних заморожених вітамінних функціональних дієтичних добавок. Було показано, що чим вище швидкість заморожування до більш низьких температур (-35°С) продукту, тим краще зберігаються БАР, такі як антоціанові барвні сполуки, L- аскорбінова кислота, фенольні сполуки, каротин, та призводить до більшого ступеня їх вилучення. Це пов’язано з тим, що при швидкому заморожуванні ягід в середні рослинних клітин утворюються дрібні кристали льоду, які руйнують міжмолекулярні водневі зв’язки та індукційну взаємодію між низькомолекулярними БАР та біополімерами і кількість БАР, які більш повно вилучаються із ягід зафіксовано хімічними та спектроскопічними методами досліджень. [7]

Це не повний перелік розробок нашої кафедри. На сьогоднішній день фахівці кафедри працюють над іншими науковими роботами з переробки і консервування різної рослинної і молочної сировини.

Також на кафедрі переробки плодів, овочів та молока під керівництвом проф. Павлюк Р.Ю були розроблені нові технології консервованих заморожених функціональних оздоровчих добавок із дикорослих ягід з рекордним вмістом антоціанів. В ході проведення досліджень були використані натуральні дикорослі ягоди: чорноплідна горобина, бузина чорна, журавлина та червона смородина. Було показано, що чим вище швидкість заморожування (10, 20. 100^о С за хвилину) до більш низьких температур (в порівнянні з традиційними режимами заморожування) до -35^о С продукту, тим краще зберігається якість ягід. Доказано, що такі швидкості дозволяють не тільки зберегти БАР (антоціанові сполуки, вітамін С, фенольні сполуки, каротин та ін.), але призводить до більшого ступеня їх вилучення – екстракції із ягід (в порівнянні з традиційними методами екстракції). Збільшення кількості перелічених корисних речовин складає від 20 до 75%: вітамін С 20 – 25%, барвних речовин 45 – 75 %, фенольних сполук 47 – 65%, дубильних речовин 35 – 55%. Результати дослідження наведено на рис. 1.23. Це пов’язано, очевидно, з тим, що при швидкому заморожуванні усередині рослинних клітин утворяться дрібні кристали льоду, які руйнують міжмолекулярне водневі зв'язки між низькомолекулярними БАВ і біополімерами й кількість БАВ у вільному стані збільшується. [72,36]

На каферді у ході проведення робіт було вивчено вплив різних швидкостей заморожування на збереження антоціанів та L-аскорбінової кислоти. Приведені результати дослідження експериментів щодо вивченняя ферментативного окислення антоціанових пігментів під час подрібнення чорноплідної горобни та чорної смородини та утворення ортохінонів, а також їх стабілізації перед сублімаційним вакуумним сушінням шляхом заморожування з високими швидкостями із застосуванням газоподібного азоту (0,2^о С/хв, 2…5^о С/хв) до кінцевої температури продуктумінус 30^о С. Виявлено, що оптимальною швидкістю заморожування плодової сировини є 2…5^о С/хв (вітамін С зберігається на 99 – 105%, антоціанові речовини – на 95 – 110^%). Таким чином, було зроблено висновок, що для інактивації окислювальних ферментів перед сушінням подрібнені ягоди чорноплідної горобини і чорної смородини необхідно заморожувати зі швидкістю 2…5^о /хв. Також було виявлено антибактеріальні властивості отриманих БАД-барвників, які здатні пригнічувати бактерії та цвілеві гриби. Варто звернути увагу на те, що більш сильні антибактеріальні властивості мають БАД-барвники з чорноплідної горобини в порівнянні з чорною смородиною. А тако ж, що заморожені гомогенізовані пасти з чорної смородини, в порівнянні з традиційними грубоподрібненими свіжими ягодами і пастами, мають в 2…3 рази більшу біологічну активність і знаходяться в легкозасвоюваній формі. [74,75]

Було встановлено, що використання заморожування і процесів механоактивацїї призводить до більш повного вилучення пектинових речовин з ягід порівняно з традиційними методами, трансформації значної частини протопектину в розчинну, більш високометоксильовану форму пектину, целюлози в цукри, що з рештою призводить до значного збільшення драглеутворюючих властивостей пастоподібних БАД з ягід, і є позитивним і економічно доцільним при їх подальшому використанні, при виготовленні різних желейних виробів. Одержані результати стали основою при розробці нової технології отримання пастоподібних заморожених БАД з ягід - журавлини, червоної смородини, чорноплідної горобини. Нові добавки у формі заморожених паст мають імуномодулюючу дію, яка підтверджена медико-біологічними і клінічними випробуваннями в Інституті медичної радіології АМН України. [76]

Встановлено, що найбільш ушкоджуючим для мікроорганізмів є швидкий режим охолодження зі швидкістю 200^о, 400^о С до кінцевої температури – 40^о С. При «шоковому заморожуванні» з використанням високих і надвисоких швидкостей до температури (-35…-40^о С), нижчої, ніж за умов традиційного заморожування (-18^о С) призводить до значного зменшення кількості вегетативних форм мікроорганізмів. [72].

На кафедрі переробки плодів, овочів та молока проф. Павлюк Р.Ю, ст. викладач Лосєва С.М, аспірант Стоєв С.С. була розроблена безвідхідна технологія вітамінних пастоподібних заморожених БАД із журавлини та червоної смородини, яка від традиційних відрізняється використанням дрібнодисперсного подрібнення та заморожування з високими швидкостями при використанні різкого та газоподібного азоту. Дана технологія дозволяє переробляти ягоди разом із шкірочкою та насінням до розмірів частинок 5…30 мкм., і виготовляти гомогенні пастоподібні заморожені БАД із журавлини та порічки без відходів. При використанні дрібнодисперсного подрібнення та швидкого заморожування вдається не тільки зберегти БАР, але й отримати пастоподібні «збагачені» БАР продукти імуномодулюючої, профілактичної та лікувальної дії. Також дані пастоподібні продукти можна використовувати в якості натурального барвника [78]

При проведенні досліджень на кафедрі переробки плодів, овочів та молока ХДУХТ було виявлено, що під час кріодеструкції плодів та овочів і низькотемпературного подрібнення відбувається значна активація окислювальних ферментів (в 4…4,5 рази вище, ніж у вихідній). Також вперше виявлено, що під час «шокового» заморожування з використанням високих та надвисоких швидкостей до температури мінус 35..40^о С із застосуванням рідкого азоту та газоподібного відбується повністю інактивація окислювальних ферментів і під час розморожування продуктів ферменти не відновлюються, що пов'язано із значною незворотньою денатурацією та кріодеструкцією білкових глобул ферментів та повною інактивацією їх активних центрів. Показано,що протягом однієї години активність окислювальних ферментів не відновлювалась.

За таке відкриття в 2006 р. трьома фахівцями кафедри було отримано звання лауреатів Державної премії України в галузі науки і техніки, проф. Павлюк Р.Ю., проф. Погарська В.В. і доц. Соколова Л.М. увійшли в колектив авторів ряду організацій очолюваних ХДУХТ за участю та при підтримці ректора університету, проф. Черевка О.І., та здобули перемогу в конкурсі і отримали звання лауреатів Державної премії України в галузі науки і техніки за роботу «Створення та впровадження прогресивних технологій і ефективного обладнання для отримання функціональних оздоровчих харчових продуктів». Вперше в історії університету робота, що була виконана в його межах отримала Державну премію України . Ініціатором і головним виконавцем роботи була завідувач кафедри технологій переробки плодів, овочі і молока проф. Павлюк Р.Ю.

При цьму була розроблена нанотехнологія гомогенізованих наноструктурованих кріопаст із плодів та овочів з використанням рідкого та газоподібного азоту, яка забезпечує не лише збереження всіх БАР, а також дозволяє отримати пасти з новими споживчими властивостями, в яких значна кількість БАР (наприклад, аскорбінова кислота, антоціани, каротиноїди та ін.) переходять із зв'язаного стану з біополімерами у вільний (в 2…4 рази вище, ніж у вихідній сировині), а біополімери в значній частині (40 – 60 %) руйнуються до низькомолекулярних складових (амінокислот, моноцукрів, галактурованої кислоти та ін.). Нові кріопати використовуються для виготовлення соків із м'якоттю, пюре, морозива, напоїв, комбінованих молочно-рослинних коктейлів на основі сироватки, знежиреного молока, сиркових виробів [2,3].

Також розроблені нові заморожені каротиноїдні добавки з гарбуза з використанням процесів кріогенного замороження та подрібнення. Де залучені процеси механодеструкції та механоактивації. Виявлено та показано, що під час заморожування гарбуза після дрібнодисперсного подрібнення в середовищі рідкого азоту відбувається збільшення кількості каротину в 2,5 рази та транформація каротину у водорозчинну форму, це поянюється деструкцією комплексів каротиноїдів з біопомерами. При цьму, чим більша швидкість заморожування, тим більша кількість каротину. Нові технології каротиноїдних функціональних оздоровчих добавок, які можна використовувати як барвникі, були рекомендовані для використання при виробництві продуктів для дитячого харчування, соків, морсів, напоїв, морозива та сиркових виробів [79,80].