4 ВВЕДЕНИЕ
Мировые тенденции в области питания связаны с созданием продуктов, способствующих улучшению здоровья при ежедневном употреблении, так называемых функциональных продуктов питания. Термин «функциональные продукты» всё активнее входит в нашу повседневную жизнь, становясь понятным и привычным. Научно-практические конференции и симпозиумы по биологически активным добавками и продуктам функционального питания стали традиционными. Разработаны и приняты постановления правительства, санитарные нормы и правила, различные приказы и методические указания Минздрава России по получению и применению БАД к пище и функциональным продуктам питания. Требования к БАД постоянно ужесточаются и подвергаются дальнейшему законодательному урегулированию. Чем же вызван такой интерес к этой области пищевой индустрии и гигиены питания.
В последние десятилетия во всем мире, и в том числе в Российской Федерации, повысилось внимание людей к своему здоровью. Питание — важнейший фактор внешней среды, от которого решающим образом зависит здоровье и благополучие человека.
Потребность в пище — извечная потребность всего живого. Однако наука о питании не есть набор раз и навсегда установленных истин. Физиологические потребности человека в основных пищевых веществах и энергии изменяются вместе с изменениями условий труда и быта. Не остаются неизменными набор и качество продовольственного сырья и продуктов питания, технологические приемы их переработки и хранения, существенно влияющие на химический состав и пищевую ценность этих продуктов.
Полноценное и сбалансированное (адекватное) питание способствует действенной профилактике целого ряда заболеваний, повышению иммунитета в отношении неблагоприятного воздействия окружающей среды,
5
укрепляет способность представителей человеческой популяции к нормальному воспроизводству, полноценному росту и развитию детей.
Результаты исследования структуры питания современного человека свидетельствуют о недостаточности потребления незаменимых компонентов пищи. Прежде всего, это связано с тем, что из-за малоподвижного образа жизни уменьшился объём пищи, который съедает человек в течение суток. Это общая мировая тенденция. Во-первых, стало необходимо, чтобы в этом небольшом объеме содержалось как можно больше эссенциальных веществ, чтобы дневной рацион содержал все необходимые микронутриенты. Во-вторых, применение современных, экономически целесообразных технологий выращивания, транспортировки, переработки, хранения и распределения исходного сырья и приготовления пищи также приводит к потере незаменимых для жизнедеятельности ингредиентов. В-третьих, воздействие неблагоприятных факторов внешней среды и негативных факторов антропогенного характера предопределяет возрастание
потребности организма в незаменимых биологически активных веществах. И, наконец, отклонение фактического питания от рекомендуемых норм потребления обусловлено местными, климатическими, национальными и социальными особенностями жизни населения.
В результате снижается сопротивляемость организма к воздействию неблагоприятных факторов среды обитания, формируется астеничность, синдром хронической усталости, понижаются умственная и физическая активность. Всё чаще человечество встречается с нарушениями обмена веществ, аллергиями и с возникновением новых, неизвестных патологий, в том числе влияющих на генетический наследственный аппарат живых организмов.
С целью ликвидации или снижения выраженности дефицита в незаменимых компонентах пищи основные усилия специалистов в области здорового питания направлены на увеличение выпуска традиционных пищевых продуктов с дополнительными функциональными
6
характеристиками (функциональные продукты питания), которые, не являясь лечебными, помогали бы сохранить и укрепить здоровье людей.
Один из путей получения продуктов функционального питания - это создание разнообразных добавок, обладающих технологическими и физиологическими свойствами.
Актуальность темы. Сырьевые ресурсы Дагестана чрезвычайно богаты многообразными видами дикорастущего сырья. Многие виды сырья являются настоящей кладовой биологически активных веществ, которые обладают ясно выраженным физиологическим действием на человеческий организм. К таким культурам относятся боярышник черный (Crotaegus nigra) и бузина черная (Sambucus nigra), естественные запасы которых позволяют заготавливать их не только для местных нужд, но и в промышленном масштабе.
Цветки и плоды этих растений используются в народной медицине с глубокой древности. Это ценное пищевое и лекарственное сырье, источник витаминов, углеводов, белков, органических кислот, минеральных и других необходимых человеку веществ. Прекрасные поставщики весьма дефицитных полифенолов, обладающих гипотензивным и капиляроукрепляющим действием, пектиновых веществ, обладающих радиопротекторными свойствами и способствующих выведению из нашего организма солей тяжелых металлов, что дает основание использовать эти плоды для производства биологически активных добавок с целью получения продуктов функционального назначения. Кроме того, благодаря содержащимся в этих плодах антоцианам, бузина и боярышник черный используются как сырье для получения пищевых красителей с широким цветовым диапазоном - от фиолетового до красного.
Однако существующие на сегодняшний день технологии производства красителей из плодов бузины и боярышника имеют ряд недостатков (энергоемкость, трудоёмкость, длительность процесса экстракции) и требуют
7
усовершенствования на базе использования современных приемов производства.
Следовательно, необходимость проведения исследований по разработке навой безотходной усовершенствованной технологии получения пищевых красителей из дикорастущего сырья и разработка технологии получения пищевых продуктов, обогащенных их биологически активными веществами очевидна, актуальна и имеет важное научно-практическое значение.
Цель и задачи исследования. Цель работы - провести исследования по интенсификации процесса экстракции красящих веществ из плодов бузины и боярышника черного. Разработать новую эффективную безотходную технологию получения комплексных пищевых добавок, выполняющих технологические и физиологические функции при внесении их в пищевой продукт. Определить пути использования полученных добавок для создания продуктов функционального назначения, отвечающих современным требованиям науки о питании человека, способствующие расширению ассортимента и повышению качества изделий.
В соответствии с поставленной целью при выполнении работы решались следующие задачи:
• обосновать необходимость проведения исследований в области получения новых комплексных пищевых добавок и красителей с целью расширения сырьевой базы и ассортимента выпускаемых функциональных продуктов питания;
• осуществить выбор оптимального растворителя;
• исследовать процесс экстракции комплекса биологически активных соединений из изучаемого сырья и математическое моделирование этого процесса;
• установить оптимальные технологические режимы экстракции;
• исследовать влияние способов предварительной обработки сырья на интенсификацию процесса экстракции;
8
• разработать и провести апробацию технологии получения натурального пищевого красителя из плодов боярышника и бузины;
• изучить возможность использования полученного комплекса соединений в качестве биологически активных добавок;
• разработать проекты нормативной документации на технологию получения пищевых красителей и биологически активных добавок из исследуемого сырья.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• на основании теоретических и экспериментальных данных научно обоснован оптимальный растворитель красящих веществ плодов бузины и боярышника;
• впервые получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс экстракции красящих веществ из плодов боярышника и бузины на заданных интервалах изменения факторов, позволяющие определить степень извлечения пигментов в зависимости от условий ведения процесса;
• решена задача оптимизации процесса экстракции красящих веществ и определены оптимальные режимы экстрагирования при одноступенчатой экстракции
• выявлены закономерности влияния некоторых физических способов предварительной обработки исследуемого сырья на интенсификацию процесса экстракции;
• научно обоснована разработка промышленной технологии получения биологически активных соединений и пищевых красителей из плодов бузины и боярышника.
Научная новизна работы подтверждена положительными решениями по поданным заявкам на патенты № 2003114589 от 16. 05. 03 г и № 2003114590 от 16.05.03 г.
Практическая значимость работы. На основании анализа теоретических данных и проведенных экспериментальных исследований:
9
• определены рациональные режимы экстрагирования биологически активных соединений из плодов бузины и боярышника;
• разработаны технологии получения пищевых красителей из плодов бузины и боярышника;
• предложены различные способы предварительной обработки сырья с целью совершенствования технологии получения биологически активных соединений и пищевых красителей из плодов бузины и боярышника;
• разработаны проекты нормативной документации на технологию получения пищевых красителей и биологически активных добавок из плодов бузины и боярышника.
• получено 2 положительных решения по поданным заявкам на патенты
• составлены операторная модель технологической системы производства пищевого красителя из плодов бузины и боярышника и машинно - аппаратурная схема линии получения пищевых красителей из плодов бузины и боярышника.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции «Химия в технологии и медицине» (Махачкала, ДГУ, 2001 г); Межрегиональной юбилейной научно-практической конференции «ВУЗ и АПК: задачи, проблемы и пути решения» (Махачкала, ДГСА, 2002 г); Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ДГТУ (Махачкала, ДГТУ, 2003 г); Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию» (Краснодар, КГТУ, 2000 г); XXXVIII юбилейной отчетной научной конференции за 1999 г (Воронеж, ВГТА, 2000 г); Международной конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, СбПГУНиПТ, 2001 г); Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в
10
агропромышленном комплексе» (Ставрополь, СГСХА, 2001 г); Всероссийской научно-практической конференции «Продовольственная безопасность как важнейший фактор национальной безопасность страны и роль информационно-консультационных служб АПК в её обеспечении» (Пенза, ПДЗ, 2002 г); Международной научной конференции «Биохимия -медицине» (Махачкала, ДГМА, 2002 г); Межрегиональной научно-практической конференции «Региональные производители: их место на современном рынке товаров и услуг» (Красноярск, КГТЭИ, 2003 г); II Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе». (Ставрополь, СГАграрнУ, 2003 г); X Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, МГУТУ, 2004 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работы, получено 2 положительных решения по заявкам на патенты.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы, приложений.
Материал изложен на 160 страницах компьютерного текста, содержит 4 таблицы, 28 рисунков, 5 приложений. Список использованной литературы включает 206 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
На защиту выносятся результаты исследований:
- выявление оптимального растворителя красящих веществ плодов бузины и боярышника;
- разработанная математическая модель процесса экстракции биологически активных соединений и красителей из исследуемого сырья;
- технологии получения пищевых красителей из дикорастущих плодов бузины и боярышника;
- направления использования полученных пищевых добавок для расширения ассортимента функциональных продуктов питания.
и
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Современное представление о продуктах функционального
питания
Термин «функциональные пищевые продукты» появилось не очень давно, менее 20 лет назад в Японии и датируется 1989 годом [53]. Использование же пищевых продуктов в качестве средств поддержания здоровья и снижения риска заболеваний имеет многовековую историю. Сведения о целенаправленном использовании пищевых продуктов для профилактики различных заболеваний встречаются уже в трактатах Древнего Китая, Японии, других восточных, европейских и американских стран [172, 54].
В1991 году была разработана концепция пищевых продуктов, специально используемых для поддержания здоровья (FOSHU - Food for specified health use), которая вскоре получила активную поддержку во многих странах мира [85]. Основные усилия специалистов в области здорового питания были направлены на производство разнообразных биологически активных добавок (БАД) к пище, содержащих те или иные пищевые ингредиенты или группы их. Однако, чем больших успехов достигало человечество в создании и производстве искусственных биологически активных добавок, тем больше оно стремилось потреблению натуральных продуктов. Поэтому фармацевтические фирмы и пищевые компании начали специализироваться на производстве физиологически активных ингредиентов, увеличивающих ассортимент традиционных пищевых продуктов с дополнительными функциональными характеристиками [172].
В развитых странах мира производство функциональных продуктов питания широко распространено и развивается очень активно. Сегодня мировой рынок продаж функциональных продуктов превышает 50 млрд. долл. США и составляет пока не более 3% всех известных пищевых продуктов [42,172]. По официальным данным на 2001 год, 38,3% рынка этих продуктов принадлежит США, 24,8% - Японии и более 32% - странам
12
центральной Европы, где наиболее активными участниками его формирования являются Германия (36,3%), Великобритания (26,2%) и Франция (15,6%) [85].
В нашей стране эта тенденция также находит отражение. Хотя обогащение продуктов питания необходимыми компонентами — не новое явление в нашей стране. Ещё до 1941 г при производстве муки в неё добавляли железо и витамины, выпускались и другие продукты с витаминами [43]. В наше время развитие производства функциональных продуктов особенно необходимо. Оценка качественной составляющей питания населения нашей страны свидетельствует о том, что потребление наиболее ценных биологически активных продуктов питания за последние 10—15 лет снизилось не менее чем на 50% [18, 54, 133, 156, 177]. И если сегодня рацион россиян удовлетворяет потребности в энергии и в целом в белках, жирах и углеводах при ежедневных энергозатратах 2000 - 2500 ккал, то он не способен удовлетворить потребности человека в микронутриентах, витаминах, минеральных веществах и биологически активных компонентах растительной пищи.
В России алиментарные дефициты носят массовый характер, и многие регионы относятся к разряду биогеохимических провинций по ряду важнейших нутриентов (витаминам С, бета-каратину, кальцию, йоду, железу и т. д.) [127]. В результате это приводит к тому, что организм человека приходит в состояние малоадаптации, когда возможности организма противостоять воздействию окружающей среды резко снижаются, формируется астеничность, синдром хронической усталости, понижается умственная и физическая активности. Отсюда и существенно увеличивается угроза возникновения различных заболеваний.
Генетическое здоровье населения во многом связано с состоянием окружающей среды. «Экологические беды» различны в разных регионах страны. Они ведут к снижению репродуктивной функции человека, снижению иммунитета, возрастанию груза мутаций в человеческой
13
популяции, в связи с чем увеличивается число детей с хромосомными аномалиями, также высока частота возникновения аллергических реакций, появление ранее неизвестных заболеваний [18].
В результате многочисленных эпидемиологических исследований абсолютно точно доказана связь между питанием и развитием сердечнососудистых заболеваний, злокачественных новообразований, сахарного диабета второго типа, ожирения и остеопороза [177].
По данным медицинских обследований [156], только 20% населения РФ можно считать условно здоровым; 40% населения в результате пищевых дефицитов находится в состоянии малоадаптации; 20% - в пограничном состоянии между болезнью и здоровьем. Таким образом, более половины населения РФ нуждаются в значительной корректировке питания.
Мировой и отечественный опыт исследователей и практиков, работающих в этом направлении пищевой и медицинской технологии, убедительно свидетельствует [40, 49, 50, 85, 93, 149, 156, 172, 177], что наиболее эффективным и целесообразным с экономической, социальной, гигиенической и технологической точек зрения способом решения этой проблемы является разработка и создание крупного промышленного производства разнообразных специализированных продуктов питания, дополнительно обогащенных недостающими микронутриентами до уровня, соответствующего физиологическим потребностям человека (10 — 50% от средней суточной потребности).
В связи с этим, на основании постановления Правительства РФ № 917 от 10.08.98 г. «О Концепции государственной политике в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2005 года» был разработан комплекс мероприятий, направленных на удовлетворение потребностей населения в здоровом питании, с учетом национальных традиций и привычек, экономического положения, а также требований медицинской науки [84]. Согласно постановлению расширение производства БАД и развитие производства функциональных продуктов питания являются
14
важнейшими и первоочередными задачами, от которых решающим образом зависит улучшение питания и здоровья детского и взрослого населения. В последние годы в России вопросы, связанные с БАД к пище и функциональными продуктами питания, урегулированы на всех государственных уровнях, и в том числе в Патентном ведомстве РФ [156,42,141,39]. Разработаны и приняты постановления правительства, санитарные нормы и правила, методические указания Минздрава России, гигиенические требования качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания и т.д. [93,151]. Требования к БАД постоянно ужесточаются и подвергаются дальнейшему законодательному урегулированию.
Продукты функционального питания (ФПП) - это продукты из сырья растительного и животного происхождения, предназначенные для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми группами здорового населения, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития связанных с питанием заболеваний благодаря наличию в их составе пищевых функциональных ингредиентов, обладающих способностью оказывать благоприятные эффекты на одну или несколько физиологических функций и метаболических реакций организма человека [85,160].
К функциональным ингредиентам относят физиологически активные, безопасные, имеющие точные физико-химические характеристики ингредиенты пищи, для которых выявлены, научно обоснованы и подтверждены на практике специалистами свойства, полезные для сохранения и улучшения здоровья, установлены и одобрены нормы ежедневного потребления в составе пищевых продуктов [85]. Ими являются [172]: пищевые волокна; олигосахариды; сахароспирты; аминокислоты, пептиды, протеины, нуклеиновые кислоты; гликозиды; спирты; органические кислоты; изопреноиды, витамины; фосфолипиды, холины; бифидобактерии и другие молочно-кислые бактерии; минералы; полиненасыщенные жирные
15
кислоты и другие антиоксид анты; цитамины; фитопрепараты, растительные энзимы и др. Их удачно вводят в зерновые завтраки, молочные продукты, маргарин и обогащенные растительные масла, безалкогольные напитки [19, 24,28,93,128, 149, 151].
Для того чтобы отнести данный продукт к классу «функциональных», необходимо иметь доказательную базу, что именно такое изменение состава продукта приводит к улучшению показателей здоровья человека. Предполагается, что при приобретении функциональных свойств традиционные питательные качества и потребительские характеристики подобных продуктов не изменяются в худшую сторону.
В категорию продуктов функционального питания включают [85,172]:
• традиционные продукты, содержащие в нативном виде значительные количества физиологически функционального ингредиента или их группы;
• традиционные продукты, дополнительно обогащенные функциональными ингредиентами с помощью различных технологических приемов;
• традиционные продукты, в которых технологически понижено содержание вредных для здоровья компонентов, а также компонентов, препятствующих проявлению физиологической активности присутствующих в них функциональных ингредиентов;
• натуральные продукты, в которых исходные потенциальные функциональные ингредиенты модифицированы таким образом, что они начинают проявлять свои биологически активные свойства или они усиливаются;
• натуральные пищевые продукты, в которых в результате тех или иных модификаций биоусвояемость входящих в них функциональных ингредиентов увеличивается;
• натуральные или искусственные продукты, которые в результате применения комбинации вышеуказанных технологических приемов
16
приобретают способность сохранять и улучшать физическое и психическое здоровье человека и/ или снижать риск возникновения заболеваний. В России такие продукты традиционно подразделялись на [43]:
• диетические - направленные на лечение алиментарно-зависимых заболеваний человека;
• профилактического назначения — направленные на профилактику распространенных заболеваний (сердечно-сосудистых, ожирения и др.);
• специализированные — узко направленные на какие — либо функции организма (для спортсменов, людей, имеющих высокую физическую активность и т.п.);
• обогащенные - в которые добавлены определенные микронутриенты (или замещены);
• биологически активные добавки к пище - носители необходимых человеку микронутриентов (витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон, пробиотиков положительного действия и т.п.).
Биологически активные добавки - это композиции натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенных для непосредственного приема с пищей или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения рациона отдельными пищевыми или биологически активными веществами и их комплексами [134].
Существуют следующие категории БАД [98]:
1) нутрицевтики - БАД для коррекции химического состава пищи человека (дополнительные источники питательных веществ — белка, аминокислот, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ);
2) парафармацевтики - БАД для профилактики, вспомогательной терапии и поддержки в физиологических границах функциональной активности органов и систем;
3) зубиотики (пробиотики) — БАД, в состав которых входят живые микроорганизмы и/или их метоболиты, оказывающее нормализующее
17
действие на состав и биологическую активность микрофлоры пищеварительного тракта.
Считается [172], что принципиальным различием между ФПП и БАД к пище является лишь форма, в которой недостающие функциональные ингредиенты доставляются в организм человека. Если в виде препарата или добавки, схожей с лекарством для орального применения (таблетки, капсулы, порошки и т.д.), то следует говорить о БАД. Если функциональный ингредиент поступает в организм в форме традиционного питательного продукта, то речь идет о ФПП.
Функциональные продукты питания, так же как и БАД к пище, выполняют следующие основные функции [39]:
1. Компенсация дефицита биологически активных компонентов в организме.
2. Поддержание нормальной функциональной активности органов и систем. Добавление БАД к пище и функциональным продуктам невозможно больной орган сделать здоровым, это могут обеспечить только лекарственные препараты.
3. Снижение риска различных заболеваний, создание диетического фона. Речь идет об уменьшении факторов риска того или иного заболевания. Если какой-нибудь показатель находится на верхней границе нормы и является фактором риска, например уровень холестерина, то благодаря использованию БАД к пище и ФПП можно привести этот показатель к норме.
4. Поддержание полезной микрофлоры в организме человека, поддержание нормального функционирования желудочно-кишечного тракта.
Современные потребности рынка диктуют направления развития производства и расширения ассортимента функциональных продуктов питания. Одним из важнейших технологических направлений является разработка новых технологий и оптимизация существующих с целью сохранения активности функциональных ингредиентов в продуктах питания |
