Разработка технологии переработки зародышей зерна кукурузы и изучение потребительских свойств получаемых продуктов и БАД

В настоящее время качество и безопасность являются стратегической целью производства продуктов питания [1, 2]. В этих условиях особую важность приобретают разработка и внедрение прогрессивных наукоемких технологий, а также автоматизированных методов контроля и управления технологическими процессами комплексной глубокой переработки продовольственного сырья и производства пищевых продуктов, обеспечивающих максимальную сохранность эндогенных нутриентов и заданных потребительских свойств готовой продукции [3−5].

Кукуруза является перспективной многоцелевой физиологически ценной зерновой культурой РФ [6]. В товарном производстве большое значение имеют зерна кукурузы, так как являются исходным сырьем для получения более 150 продовольственных и технических продуктов, к наиболее важным из которых относятся крупа, мука, кукурузные хлопья, крахмал, патока, спирт, а также физиологически ценное масло, вырабатываемое из зародыша [7−10].

Отделение зародыша от зерна кукурузы относится к наиболее важным технологическим операциям, так как ее эффективность оказывает существенное влияние на показатели качества всего спектра продуктов переработки зерна кукурузы [11, 12].

Кукурузные зародыши выделяют в качестве вторичного продукта при переработке кукурузного зерна в мукомольно-крупяном, пищеконцентратном и крахмало-паточном производствах. Необходимость максимального отделения зародыша обусловлена высокой реакционной активностью и лабильностью содержащихся в нем соединений, следствием чего, например, является высокая окисляемость и гидролизуемость липидного комплекса. Это, в свою очередь обусловливает снижение качества получаемых муки, круп и крахмалопродуктов [13−16].

Анализ существующих технологий переработки зерна кукурузы показал, что ни одно из имеющихся технологических решений не обеспечивает сохранение целостности и качества отделяемых зародышей [11, 12,17−19].

Учитывая изложенное, разработка эффективной технологии переработки зародышей зерна кукурузы и изучение потребительских свойств получаемых продуктов и Б АД является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка комплексных экологически безопасных ресурсосберегающих технологий переработки растительного сырья с применением физико-химических и биотехнологических методов», Госрегистрации 1 200 956 355.

Целью работы является разработка эффективной технологии переработки зародышей зерна кукурузы и изучение потребительских свойств получаемых продуктов и БАД.

Основные задачи исследования:

— анализ и систематизация научно-технической литературы и патентной информации по теме исследованияобоснование выбора объектов исследованияразработка эффективной технологии и рекомендаций по комплектации линии подготовки зерна кукурузы к выделению зародыша сухим способомразработка технологии и рекомендаций по комплектации линии выделение зародыша зерна кукурузы, обеспечивающих максимальное сохранение его физиологически ценных свойствнаучное и экспериментальное обоснование способа извлечения кукурузного масла с использованием в качестве экстрагента этаноларазработка способа подготовки кукурузного зародыша к извлечению масла этаноломразработка технологии получения физиологически ценного масла и пищевого шрота из зародыша зерна кукурузы нового качества с использованием в качестве экстрагента этанолаоценка потребительских свойств кукурузного масла и шротанаучное и экспериментальное обоснование использования кукурузного масла и шрота для непосредственного употребления в пищу, а также в качестве сырья для производства фосфолипидных и белковых БАДнаучное и экспериментальное обоснование использования фосфолипидных и белковых БАД при производстве продуктов функционального и специализированного назначения.

Научная новизна. Выявлено, что эффективным критерием сепарирования массы зерна кукурузы является сочетанное использование критериев цвет и размер при сужении границ интервала варьирования задаваемых параметров и предложено техническое решение данного подхода путем использования последовательно работающих фотоэлектронных сепараторов.

Впервые выявлено положительное влияние предварительного фракционирования очищенной зерновой массы кукурузы по площади поверхности и по форме с использованием фотоэлектронных сепараторов на эффективность выделения и целостность зародыша, а также на показатели качества содержащихся в нем липидов.

Научно и экспериментально обоснована технология и технологическая линия выделения зародыша зерна кукурузы с максимальным сохранением физиологически ценных свойств.

Впервые установлена меньшая значимость влияния влаготепловой обработки крупки кукурузного зародыша на выход масла при использовании в качестве экстрагента этанола по сравнению с нефрасом.

Показано, что использование в качестве экстрагента этанола обусловливает более получение кукурузного масла повышенной физиологической ценности по сравнению с нефрасом, что можно объяснить селективностью этанола по отношению к сопутствующим физиологически активным липидам, а также щадящими режимами влаготепловой обработки.

Научно и экспериментально обоснована технология получения физиологически ценного масла и шрота из зародыша зерна кукурузы. Выявлено, что полученные по разработанной технологии кукурузное масло, шрот и фосфолипидный комплекс по показателям качества и физиологической ценности могут быть позиционированы как продукты функционального назначения, а также сырье для получения фосфолипидных и белковых БАД.

Новизна работы защищена 3 патентами и 2 решениями о выдаче патентов РФ на изобретения.

Практическая значимость. Разработана инновационная технология и технологическая линия комплексной переработки зерна кукурузы с выделением зародыша сухим способом. Разработана технология комплексной переработки зародыша с получением физиологически ценного масла и БАД. Разработан и утвержден технологический регламент на выделение зародыша зерна кукурузы. Разработан проект технологического регламента получения кукурузного масла и пищевого шрота с использованием в качестве экстрагента этанола. Разработаны комплекты технической документации, включающие ТУ и ТИ на БАД «Кукурузка», кукурузный лецитин и фосфолипидные БАД.

Реализация результатов исследования. Разработанные технология и линия выделения зародыша зерна кукурузы внедрены в условиях научнопроизводственной фирмы «Новтэкс» в III квартале 2011 года. Технология подготовки зародыша к экстракции и последующая экстракция этанолом с получением физиологически ценных масла и БАД приняты к внедрению в условиях Учебно-научно-производственного комплекса института пищевой и перерабатывающей промышленности ФГБОУ ВПО КубГТУ во II квартале.

2012 года. Рекомендации по использованию БАД «Кукурузка» в производстве пищевых концентратов функционального и специализированного назначения приняты к внедрению в условиях научно-производственной фирмы «Росма-Плюс» в III квартале 2012 года. На защиту выносятся следующие положения: обоснование выбора объектов исследованияразработанная эффективная технология и рекомендации по комплектации линии подготовки зерна кукурузы к выделению зародыша сухим способомразработанная технология и рекомендации по комплектации линии выделения зародыша зерна кукурузы, обеспечивающие максимальное сохранение его физиологически ценных свойствнаучное и экспериментальное обоснование способа извлечения кукурузного масла с использованием в качестве экстрагента этаноларазработанный способ подготовки кукурузного зародыша к извлечению масла этаноломразработанная технология получения физиологически ценного масла и пищевого шрота из зародыша зерна кукурузы нового качества с использованием в качестве экстрагента этанола;

— результаты оценки потребительских свойств кукурузного масла и шротанаучное и экспериментальное обоснование использования кукурузного масла и шрота для непосредственного употребления в пищу, а также в качестве сырья для производства фосфолипидных и белковых БАДнаучное и экспериментальное обоснование использования фосфолипидных и белковых БАД при производстве продуктов функционального и специализированного назначения.

1 Аналитический обзор

3.3. Характеристика зерна кукурузы как перспективного многоцелевого продовольственного сырья.

Кукуруза или маис (вид Zea Mays) — травянистое однолетнее растение относится к семейству злаковых (мятликовых), подсемейству просовидных хлебов и является одним из древнейших продовольственных злаков. Родиной кукурузы считают Центральную и Южную Америку, где она была известна индейцам более 5 тысяч лет назад [13]. Широкое распространение кукуруза получила в странах Африки и Азии. В Европе кукурузу начали возделывать в середине 17 века [8−10]. На юге Российской империи кукуруза была широко распространена до 1917 года. Второе возрождение кукурузы как сельскохозяйственной культуры связано с Н. С. Хрущевым после его поездки в Америку [11]. В настоящее время кукуруза — злак, занимающий по распространенности 3 место в мире после пшеницы и риса [14].

В товарном производстве зерна кукурузы имеют большое значение, так как они являются исходным сырьем для получения более 150 продовольственных и технических продуктов [7−12].

Зерно кукурузы используют для производства крупы, муки, кукурузных хлопьев, крахмала, патоки, спирта и т. д.

Из зародыша кукурузного зерна вырабатывают полноценное пищевое масло [13, 20, 21].

Стержни початков кукурузы служат сырьем для получения фурфурола, лигнина, целлюлозы и других продуктов [9].

В мировом производстве кукуруза используется в следующих соотношениях: на продовольственные цели 20−25%, на фураж — 55−65% и на технические цели 15−20% [9,13].

Кукурузу, как ботанический вид, подразделяют на семь основных подвидов: зубовидную, кремнистую, полузубовидную, крахмалистую, лопающуюся, сахарную и восковидную, представленных на рисунке 1.1.

Для деления на ботанические группы используют следующие признаки: внутреннее строение зерна — расположение мучнистого и роговидного эндосперма консистенции, степень развития роговидной частивнешнее строение зерна — форма и характер поверхности [22].

В России наибольшее распространение имеют два подвида кукурузы: зубовидная (крупное зерно удлиненной формы) и кремнистая (зерновка округлая) [12].

Кукуруза зубовидная Zea т. Subsp. Indentanta (Sturt.) Zhuk. характеризуется наличием зерновок со вдавленной верхушкой, имеющих желтый или белый цвет. Эндосперм зерновки стекловидный (роговидный) на боковых сторонах, а его остальная часть мучнистая и рыхлая. Основными отличительными характеристиками зерна этого подвида является высокое содержание крахмала.

Кукуруза кремнистая Z. М. Subsp. ЮолъЮции (Sturt.) Zhuk. имеет зерновки с округлой верхушкой, желтого или белого ЮольЮ. Эндосперм отличается мучнистостью в центральной части и стекловидностью в наружной. Кремнистая кукуруза отличается от зубовидной большим содержанием белка, распространена в районах с более коротким вегетационным периодом и занимает в РФ около 20% всех посевов кукурузы.

Полузубовидная кукуруза по форме зерна занимает промежуточное положение между кремнистой и зубовидной. Зерновки имеют небольшую впадину на верхушке, цвет зерна белый или желтый.

Каждый подвид кукурузы объединяет от 5 до 25 разновидностей. Основным критерием при выделении разновидностей у сортов, наряду с морфологическими признаками эндосперма, является окраска зерновки и цветковых оболочек, которые составляют наиболее устойчивый наследственный признак.

Рисунок 1.1 — Початки различных подвидов кукурузы: а — кремнистогоб — зубовидногов — полузубовидногог — крахмалистогод — лопающегосяе — сахарного.

Следует отметать, что сортовые разновидности резко различаются между собой не только по морфологическим признакам растений, соцветий (метелки и початка), окраски цветковых оболочек, зерна, величине початка и зерна, но и по биологическим свойствам (холодостойкости, жароустойчивости, иммунности к некоторым болезням), а также по химическому составу и технологическим показателям зерна [22, 23].

Размеры отдельных зерен и их масса колеблются, даже в пределах одного початка, в больших пределах. В нижней части початка зерна обычно наиболее крупные, в верхней — наиболее мелкие. Длина зерна изменяется от 5 до 15 мм, масса 1000 зерен — от 50 до 1000 г, чаще от 100 до 400 г [23]. Строение зерна кукурузы представлено на рисунке 1.2. Как видно из представленного рисунка, кукурузное зерно, состоит из плодовой оболочки, покрывающей поверхность зерна, семенной оболочки из водонепроницаемых и пигментных слоев, расположенной под плодовой оболочкой, зародыша, богатого липидами и занимающего более 1/3 площади разреза зерна, чехлика на зародышевом конце, и эндосперма, находящегося под семенной оболочкой.

Эндосперм состоит из толстостенных клеток, заполненных крахмалом, при этом крупные прозрачные клетки, составляющие его верхний называют алейроновым [23].

Строение эндосперма в различных частях зерна неодинаково.

Кремнистая часть эндосперма — роговидная и полупрозрачная включает периферийные клетки, тесно прилегающие друг к другу и плотно заполненные крахмальными зернами угловатой формы, склеенными между собой протеином. Остальная часть эндосперма более рыхлая и мучнистая включает клетки, заполненные крахмальными зернами округлой формы, почти не связанными между собой.

Рисунок 1.2 — Разрез кукурузного зерна:

1 — верхушечный крахмал- 2 — роговидный глютен- 3 — роговидный крахмал- 4 — зародыш;

5 — крахмал нижней части зерна;

6 — зародышевый стебелек;

7 — зародышевый корешок- 8 — чехлик.

У различных сортов кукурузы количественное соотношение частей зерна не одинаково. На долю зародыша приходится от 10 до 14% (к массе зерна), а эндосперма — 81−84%., при этом соотношения кремнистой и мучнистой части эндосперма существенно различаются в зависимости от сорта кукурузы. На долю оболочки приходится от 5 до 6,5% массы зерна.

В таблице 1.1 приведен химический состав отдельных частей зерна кукурузы [11].

Таблица 1.1 — Химический состав отдельных частей зерна кукурузы.

Зерно и его в % к Массовая доля, % целому зерну части белка липидов крахмала клетчатки золы.

Зерно — 10,0−14,0 4,0 -8,0 60,0 — 72,0 1,5 -2,5 1,0 -2,0.

Эндосперм 81,9 7,0−11,2 0,6 -0,8 77,0 — 86,0 2,4 -2,5 0,3 -0,8.

Зародыш 11,9 14,0−26,0 17,0 -57,0 1,5−5,5 2,4 -5,2 7,0- -10,0.

Оболочка 5,3 3,0−4,0 1,0 -2,0 5,0−7,3 0,3 -1,0 0,5 -0,8.

Как видно из представленных данных, крахмал практически полностью сосредоточен в эндосперме, липиды и минеральные вещества (зола) — в зародыше, а белки — в эндосперме и зародыше.

Химический состав зерна различных ботанических групп кукурузы неодинаков. Анализ литературных данных показывают, что различие в химическом составе трех основных ботанических групп (зубовидная, кремнистая и мучнистая), имеющих практическое народнохозяйственное значение, невелико. Значительно большее влияние на различия в химическом составе зерна кукурузы оказывают почвенные и климатические условия произрастания, а также степень вызревания.

Одним из важных продовольственных продуктов, получаемых из зерна кукурузы, является крупа различного ассортимента и назначения [11, 12].

Кукурузная крупа, вырабатываемая из зерен кукурузы, является источником растительного белка, углеводов и энергии при одновременно низком содержании жиров. В кукурузной крупе также содержится большое количество крахмала, простых углеводов, клетчатки и витамина Е. Лучшей считается крупа янтарного цвета, однородная по размеру крупинок, без постороннего (кислого, затхлого и плесневелого) запаха с влажностью — не более 15% [15].

Наиболее широкое применение кукурузная крупа нашла в экструзионных технологиях изготовления сухих завтраков и кукурузных палочек. Однако, качество этой продукции определяется качеством исходного зерна и его помола.

В отличие от злаков, в кукурузной крупе отсутствует белковая фракция глиадина, что позволяет ее использовать для производства специализированных биоспецифических продуктов питания для людей, страдающих ферментативной патологией кишечника.

Наличие в кукурузе витаминов В1, В2, РР, кальция, магния, фосфора и железа, а также микроэлементов меди (0,146 мг/%) и никеля (0,140 мг/%) позволяет рекомендовать изделия из кукурузы в качестве продукта или компонента продуктов специализированного назначения для людей, имеющих заболевания крови, аллергию, сахарный диабет, ожирение и другие формы нарушения обмена веществ, патологию желудочно-кишечного тракта [25, 26].

Ассортимент кукурузной крупы, вырабатываемой по существующим технологиям, включает крупу шлифованную пятиномерную, крупу крупную для производства хлопьев и крупу мелкую для производства кукурузных палочек.

Крупа кукурузная шлифованная представляет собой дробленые частицы ядра кукурузы различной формы, без плодовых оболочек и зародыша, зашлифованные с закругленными гранями. Кукурузная крупа крупная для производства хлопьев — это дробленые частицы ядра кукурузы.

15 различной формы без плодовых оболочек и зародыша, с острыми гранями, что свидетельствует об отсутствии процесса шлифования в технологии. Кукурузная крупа мелкая для производства палочек — это дробленые частицы ядра кукурузы различной формы, с острыми гранями, без плодовых оболочек и зародыш [11].

Из определения каждого вида крупы следует, что они отличаются крупностью отдельных частиц, а также степенью обработки поверхности (шлифованные и не шлифованные частицы). У всех видов круп должны отсутствовать наружные оболочки и зародыш, что предусматривает операции по их отделению после дробления.

Для производства крупы используют кукурузу Ш-го (кремнистая желтая), ГУ-го (кремнистая белая), У1-го (полузубовидная белая), УП-го (лопающаяся белая) типов. Базисным по качеству считается зерно кукурузы с содержанием сорной примеси 1% и зерновой примеси 2% [11, 12].

Качество кукурузной крупы оценивают по органолептическим показателям — цвету, запаху и вкусу, которые должны быть свойственны нормальной кукурузной крупе. Влажность всех видов крупы не должна быть более 14,0%. Нормируется также содержание зародыша (не более 2,0% в крупной крупе для хлопьев и 3,0% - в шлифованной пятиномерной крупе. Зольность шлифованной крупы № 4 и № 5, а также мелкой крупы для палочек не должна превышать 0,95%. Содержание мучки для крупы № 5 и мелкой крупы для палочек должно быть не более 1,5%, а для остальных видов круп — не более 1%. Содержание сорной примеси во всех видах крупы не должно превышать 0,3%, в том числе минеральной, не более 0,05%. Как и для всех видов круп, не допускается зараженность крупы вредителями хлебных запасов, а содержание металломагнитной примеси — не более 3,0 мг на килограмм крупы [27].

В крупной крупе для хлопьев частиц с остатками оболочек и зародыша суммарно не должно быть больше 10,0%, а целых необработанных зерен кукурузы должно быть не более 1,0%[11].

Выводы и рекомендации.

1. Эффективным критерием сепарирования массы зерна кукурузы является сочетанное использование признаков: цвет и размер при сужении границ интервала варьирования задаваемых параметров. На основании этого предложено техническое решение данного подхода путем использования последовательно работающих фотоэлектронных сепараторов.

2. Предварительное фракционирование очищенной зерновой массы кукурузы по площади поверхности и по форме с использованием фотоэлектронных сепараторов оказывает положительное влияние на эффективность выделения и целостность зародыша, а также на показатели качества содержащихся в нем липидов.

3. Разработанные инновационная технология и линия комплексной переработки зерна кукурузы позволяют существенно повысить качество выделяемого зародыша, в том числе значительно снизить массовые доли эндосперма (в 3 раза) и оболочки (в 2 раза), обеспечить более высокое содержание масла с меньшей степенью окисленности, повышенным содержанием витаминов, а также с отсутствием восков и воскоподобных веществ.

4. Параметры влаготепловой обработки оказывают существенно меньшее влияние на выход масла при использовании в качестве экстрагента этанола по сравнению с углеводородным растворителем — нефрасом, что объясняется снижением прочности межмолекулярных связей в липопротеиновых комплексах под влиянием полярного растворителяэтанола.

5. В результате максимизации выхода масла при ограничении числа Тотокс и при варьировании длительности процесса влаготепловой обработки установлены следующие эффективные режимы подготовки зародыша к извлечению масла методом прямой экстракции с использованием в качестве экстрагента этанола: влажность материала 8%- температура 60оСпродолжительность 40 минут.

6. Повышение температуры экстракции приводит к увеличению выхода масла, а также к увеличению содержания в нем фосфолипидов, токоферолов и каротиноидов. Однако, наряду с этим, происходит повышение степени окисленности масла, накопление меланоидиновых соединений, а также снижение содержания в извлекаемом фосфолипидном комплексе фосфатидилхолинов за счет повышения растворимости в этаноле других групп фосфолипидов. Это обусловливают целесообразность проведения экстракции кукурузных зародышей этанолом при температуре 60 °C.

7. Требуемая эффективность экстракции, характеризуемая остаточной масличностью шрота не более 0,8% (я^о:=0,023), обеспечивается проведением экстракции при температуре 60 °C в 3 ступени при соотношении экстрагент: материал 4:1.

8. Кукурузное масло, полученное по разработанной технологии, отличается высокой пищевой и физиологической ценностью, содержит значительное количество витаминов и физиологически ценных нутриентов, что позволяет позиционировать его как физиологически ценный продукт функционального назначения.

9. Шрот зародыша зерна кукурузы, полученный по разработанной технологии, отличается высокой пищевой и физиологической ценностью, что позволяет позиционировать его как сырье для производства БАД. Разработанной БАД из кукурузного шрота присвоено наименование «Кукурузка-плюс». БАД «Кукурузка-плюс» может быть рекомендована для непосредственного употребления в пищу, как дополнительный источник белка, витаминов и других микронутриентов, а также для производства продуктов функционального и специализированного назначения.

10. Медико-биологические исследования выделенного фосфолипидного комплекса выявили проявление им выраженных мембранопротекторных и гипохолестеринемических свойств, что позволяет позиционировать этот комплекс как фосфолипидную БАД.