Технологія модифікованого крохмалю з інкапсулюванням біологічно активних речовин для збагачення харчових продуктів

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено розробленню технології модифікованого пористого крохмалю, дослідженню його фізико-хімічних властивостей, обгрунтуванню придатності до інкапсулювання біологічно активних речовин і використанню для збагачення харчових продуктів. На основі аналізу літератури, встановлено, що перспективним напрямком дослідження є розроблення технології і використання модифікованого резистентного крохмалю у якості носія для інкапсулювання біологічно активних речовин з метою їх збереження від дії небажаних чинників у ході приготування харчових продуктів оздоровчого призначення. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологію фізичної модифікації крохмалю, в основі якої заморожування крохмальних клейстерів низьких концентрацій (5, 10 %) за температури -18℃ протягом 24 годин з подальшим розморожуванням, відтаванням, зневодненням, подрібненням і висушуванням. Дослідження внутрішньої структури за допомогою скануючої електронної мікроскопії показало, що, на відміну від нативних крохмалів, модифіковані не мають зернистої структури і являють собою частинки висушеного ретроградованого крохмального клейстеру, що надає крохмалю пористої структури і специфічних властивостей. Аналіз фазової структури різних видів пористого крохмалю дозволив встановити, що зі збільшенням концентрації крохмального клейстеру, який піддавали заморожуванню, зростає ступінь кристалічності пористого крохмалю, причому для картопляного крохмалю ця залежність виражена більше. На основі досліджень сорбційних характеристик модифікованого крохмалю встановлено, що зі збільшенням концентрацій клейстерів з 5 до 20 % як для картопляного, так і для кукурудзяного крохмалів середній діаметр пор зменшується, що означає залежність сорбційних властивостей модифікованого крохмалю від концентрації клейстеру, який піддавали заморожуванню. При порівнянні зразків модифікованого крохмалю з нативним доведено, що пористий крохмаль містить найбільшу кількість мікропор діаметром близько 10 ангстрем, а нативного – пори діаметром максимально 7,7 ангстрем. Це свідчить про більшу поглинальну і адсорбційну здатність модифікованого пористого крохмалю. Встановлено, що гідрофільність модифікованих крохмалів значно перевищує гідрофільність нативних видів крохмалю. Віскографічні дослідження показали, що при зменшенні концентрації картопляного крохмального клейстеру з 10% до 5%, в’язкість суспензії модифікованого крохмалю при нагріванні значно зменшується. Вочевидь, що більше зв’язаної води (незамерзаючої) містить крохмальний клейстер перед заморожуванням, тим менше проходить деструкція полісахаридів крохмалю в циклах заморожування-відтавання. На підставі експериментальних досліджень розроблено принципову і апаратурно-технологічну схеми виробництва пористого крохмалю. Розроблена технологія виробництва модифікованого крохмалю була апробована на підприємстві ПБП «Вимал». Дослідно-промислові випробування розробленої технології підтвердили, що за невисоких капітальних витрат можна налагодити виробництво нового виду модифікованого крохмалю для інкапсулювання біологічно активних речовин. Доведено можливість інкапсулювання низькомолекулярних речовин у структуру пористого крохмалю на прикладі аскорбінової кислоти і тимолу. Аскорбінова кислота на 60-77 % включається в структуру крохмалю при заморожуванні клейстеру. Ступінь її зв’язування мало залежить від концентрації клейстеру і концентрації кислоти. Збагачений аскорбіновою кислотою модифікований крохмаль, отриманий при заморожуванні клейстерів концентрацією 5 і 10% краще утримує аскорбінову кислоту своєю поверхнею. Загалом кукурудзяний крохмаль дещо краще зв’язує аскорбінову кислоту з розчинів ніж картопляний. Розроблено технологію інкапсулювання кверцетину у структуру пористого крохмалю. Експериментально встановлено, що кверцетин інкапсульований у модифікований крохмаль перебуває в некристалічній формі (або у вигляді кристалів з розміром менше 10–9 м) при збереженні аморфної форми пористого крохмалю. Фізико-хімічні дослідження отриманого продукту сорбції показали, що між молекулами крохмалю та кверцетину може мати місце хімічна взаємодія за типом хемосорбції. Проведені дослідження показали можливість отримання водорозчинних комплексів кверцетину шляхом його сорбції на пористому крохмалі, що відкриває перспективи створення Р-вітамінних харчових добавок оздоровчої дії. Доведено, що крохмаль, який піддавали модифікації заморожуванням, має більшу стійкість до ферментативного гідролізу, ніж нативний. Отримані результати досліджень показують, що при комбінації етапів заморожування-відтавання внаслідок льодоутворення у клейстерах, відбувається ретроградація крохмальних полісахаридів з утворенням міцної структури, не доступної до дії амілолітичних ферментів. Перевірка на резистентність показала, що пористий крохмаль виявляє стійкість до ферментативного гідролізу і має властивості резистентного крохмалю третього типу РК3. Найбільш стійким є модифікований крохмаль отриманий з 5% крохмального клейстеру. Розроблено спосіб отримання порошкоподібного інкапсульованого екстракту гібіскусу на основі модифікованого набухаючого картопляного крохмалю, який може бути застосований в якості згущувача, підкислювача і барвника в рецептурах харчових концентратів, а наявність в екстракті гібіскусу вітамінів, органічних кислот, флавоноїдів і, особливо, антоціанів підвищує біологічну цінність готового продукту. Розроблено рецептуру кексу «Новинка» із заміною 30 % пшеничного борошна на пористий резистентний крохмаль. З отриманих результатів досліджень видно, що з додаванням до рецептури кексів модифікованого резистентного крохмалю покращуються органолептичні показники готових виробів порівняно з кексом «Столичним». Крім того, використання модифікованого РК рецептурі кексу знижує показник глікемічності на 4,79 од., а калорійність виробу – на 41,01 ккал. Споживання одного кексу, масою 100 г, на добу задовольняє добову потребу у резистентному крохмалі на 24,6 %. Розроблено рецептуру кексу із заміною цукру у рецептурі на резистентні види крохмалю з інкапсулюванням кверцетину і стевії, взяті у співвідношенні 1:1: один збагачений 3% розчином стевії, а другий – 1%-м розчином кверцетину, що вводились у 5-% крохмальні клейстери. На основі отриманих даних встановлено, що повна заміна цукру на резистентні крохмалі, збагачені кверцетином і стевією, дозволяє отримати кекси для спеціального дієтичного споживання. Розроблено ресурсозберігаючу технологію низькокалорійного майонезного соусу підвищеної біологічної цінності із заміною яєчних білків на аквафабу – відвар білої квасолі та з додаванням резистентного пористого крохмалю з кверцетином. Обґрунтовано раціональне співвідношення аквафаби та рослинної олії як (40−.60):40, що дає змогу отримати емульсійні системи зі стабільністю 97 ± 2 %. Розроблено рецептуру емульсійного низькокалорійного соусу «Аквафаба». Соціальний ефект від впровадження розробленої технології низькокалорійного майонезного соусу полягає в забезпеченні населення продуктом щоденного вживання підвищеної біологічної цінності. Достовірність отриманих експериментальних даних забезпечена використанням сучасних методик досліджень та відповідного обладнання. Наукові положення та рекомендації підтвержені лабораторними дослідженнями і виробничими випробуваннями. За результатами дисертаційної роботи розроблено проєкт нормативної документації: технічні умови на «Крохмаль модифікований пористий» (ТУ У 15.8- 02070938-315:2023), а також технологічну інструкцію на виробництво модифікованого пористого крохмалю. Апробацію технології модифікованого пористого крохмалю було проведено на ПБП «Вимал», кексів функціонального призначення «Новинка» в умовах ФОП «Кононенко М.В.», низькокалорійного майонезного соусу «AQUAFABA»  в умовах ТОВ «Продсервіс ІР», які підтверджуються відповідними актами. The dissertation is devoted to the development of the technology of modified porous starch, the study of its physical and chemical properties, the substantiation of its suitability for encapsulation of biologically active substances and its use for the enrichment of food products. Based on the analysis of the literature, it was established that the development of technology and the use of modified resistant starch in the carrier for the encapsulation of biologically active substances with the indication of their preservation from the action of undesirable factors during the preparation of health food products is a promising direction of research. On the basis of theoretical and experimental studies, a technology of physical modification of starch has been developed, based on which starch pastes of low concentrations (5, 10%) are frozen at a temperature of -18℃ for 24 hours, followed by thawing, thawing, dehydration, grinding and drying. Examination of the internal structure using scanning electron microscopy showed that, unlike native starches, modified starches do not have a granular structure and are part of a dried retrograded starch paste, which gives the starch a porous structure and specific properties. Analysis of the phase structure of different types of porous starch allows us to establish that with an increase in the concentration of the starch paste that was subjected to freezing, the degree of crystallinity of the porous starch increases, and this dependence is more pronounced for potato starch. Based on studies of the sorption characteristics of modified starch, it was established that with an increase in the concentration of pastes from 5 to 20% for both potato and corn starch, the average diameter decreases, which means that the sorption properties of modified starch depend on the concentration of the paste that was subjected to freezing. When comparing samples of modified starch with native starch, it was proven that porous starch contains the largest number of micropores with a diameter of about 10 angstroms, while native starch has a maximum pore diameter of 7.7 angstroms. This is confirmed by the greater absorption and adsorption capacity of modified porous starch. It was established that the hydrophilicity of modified starches significantly increases the hydrophilicity of native starch species. Viscographic studies have shown that when the concentration of potato starch paste is reduced from 10% to 5%, the viscosity of the modified starch suspension when heated decreases significantly. Obviously, the more bound water (non-freezing) the starch paste contains before freezing, the less it contributes to the breakdown of starch polysaccharides in freeze-thaw cycles. On the basis of experimental studies, a principle and equipment-technological scheme for the production of porous starch was developed. The developed technology for the production of modified starch was tested at the «Vymal» PBP enterprise. Research and industrial tests of the developed technology confirmed that with low capital costs it is possible to establish the production of a new type of modified starch for encapsulation of biologically active substances. The possibility of encapsulation of low-molecular-weight substances in the structure of porous starch was proved using the example of ascorbic acid and thymol. 60- 77% of ascorbic acid is incorporated into the starch structure when the paste is frozen. The degree of its binding depends little on the concentration of the paste and the concentration of the acid. Modified starch enriched with ascorbic acid, obtained by freezing pastes with a concentration of 5 and 10%, better retains ascorbic acid with its surface. In general, corn starch binds ascorbic acid from solutions somewhat better tha potato starch. The technology of encapsulating quercetin in the structure of porous starch was developed. It was experimentally established that quercetin encapsulated in modified starch is in a non-crystalline form (or in the form of crystals with a size of less than 10–9 m) while preserving the amorphous form of porous starch. Physico-chemical studies of the obtained sorption product showed that a chemisorption-type chemical interaction can take place between starch and quercetin molecules. The conducted studies showed the possibility of obtaining water-soluble complexes of quercetin by its sorption on porous starch, which opens up prospects for the creation of P-vitamin nutritional supplements with a health-improving effect. It has been proven that the starch, which was subjected to modification by freezing, has greater resistance to enzymatic hydrolysis than the native one. The obtained research results show that with a combination of freezing-thawing stages as a result of ice formation in pastes, retrogradation of starch polysaccharides occurs with the formation of a strong structure that is not accessible to the action of amylolytic enzymes. Testing for resistance showed that porous starch is resistant to enzymatic hydrolysis and has the properties of resistant starch of the third type RS3. The most stable is the modified starch obtained from 5% starch paste. A method of obtaining powdered encapsulated hibiscus extract based on modified swelling potato starch has been developed, which can be used as a thickener, acidifier, and dye in the recipes of food concentrates, and the presence of vitamins, organic acids, flavonoids, and, especially, anthocyanins in the hibiscus extract increases the biological value of the finished products. The recipe for the «Novinka» cake was developed with the replacement of 30% of wheat flour with porous resistant starch. From the research results, it can be seen that with the addition of modified resistant starch to the cake recipe, the organoleptic indicators of the finished products improve compared to the «Stolichny» cake. In addition, the use of a modified RS cake recipe reduces the glycemic index by 4.79 units, and the calorie content of the product by 41.01 kcal. The consumption of one cake weighing 100 g per day satisfies the daily need for resistant starch by 24.6%. A cake recipe was developed with the replacement of sugar in the recipe for resistant starch types with quercetin and stevia encapsulation, taken in a 1:1 ratio: one enriched with a 3% stevia solution, and the other with a 1% quercetin solution, which were introduced into 5% starch pastes . Based on the obtained data, it was established that the complete replacement of sugar with resistant starches enriched with quercetin and stevia makes it possible to obtain cakes for special dietary consumption. A resource-saving technology of low-calorie mayonnaise sauce of increased biological value was developed with the replacement of egg whites with aquafaba - a decoction of white beans and with the addition of resistant porous starch with quercetin. The rational ratio of aquafaba and vegetable oil is substantiated as (40−.60):40, which makes it possible to obtain emulsion systems with a stability of 97 ± 2%. A recipe for emulsion low-calorie sauce «Aquafaba» has been developed. The social effect of the introduction of the developed technology of low-calorie mayonnaise sauce consists in providing the population with a product of daily use of increased biological value. The reliability of the obtained experimental data is ensured by the use of modern research methods and appropriate equipment. Scientific provisions and recommendations are confirmed by laboratory studies and production tests. Based on the results of the dissertation work, a project of regulatory documentation was developed: technical conditions for «Modified porous starch» (TU U 15.8-02070938-315:2023), as well as technological instructions for the production of modified porous starch. Approbation of the technology of modified porous starch was carried out at the Vymal PBP, functional cupcakes "Novinka" – under the conditions of the FOP «M.V. Kononenko», low-calorie mayonnaise sauce «AQUAFABA» - under the conditions of «Prodservice IP» LLC, which are confirmed by relevant acts .