Новий тип кондитерських (кулінарних) жирів функціонального призначення

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.18.06 "Технологія жирів, ефірних масел і парфумерно-косметичних продуктів" (18 – Виробництво та технології). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню та розробці технології модифікованих кулінарних жирів. Актуальність теми дослідження пов’язана з тим, що дотепер недостатньо вітчизняних спеціалізованих продуктів, зокрема для термічної кулінарної обробки. Відомо, що метою створення "ідеального" фритюрного жиру є зведення до мінімуму процесів термічного псування. При температурі смаження 160-180 °С в олії протікає ряд процесів, які відображаються на якості продукту. При існуючій технології жаріння продуктів у фритюрі відбувається швидке утворення продуктів окислювальної деструкції і полімеризації жирів, які є шкідливими для організма і погіршують засвоєння готових виробів. Перед промисловістю постає актуальна технологічна задача – знизити "олієємність" смажених виробів, розробивши фритюрний жир, який відповідає вимогам сучасних стандартів виробництва харчових продуктів, необхідний фритюрний жир, який має якомога довше не окислюватися і не змінювати колір. Крім того, "винесення" його з продуктами, які в ньому смажаться, має бути на 40-50 % менше, ніж у звичайних жирів. Враховуючи ці фактори, запропоновано інноваційну технологію одержання кулінарних (фритюрних) жирів шляхом етерифікації жирних кислот спиртами високої молекулярної маси. Актуальність теми та вагомість результатів дисертаційної роботи підтверджується тим, що вона виконувалась згідно плану проведення науково-дослідних робіт Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" на кафедрі технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ" у рамках держбюджетної науково-дослідної роботи МОН України: "Наукове обґрунтування і розробка способу одержання нового типу кондитерських (кулінарних) жирів функціонального призначення" (ДР № 0115U000534), де здобувач був відповідальним виконавцем окремих етапів робіт. Практичне значення роботи для олійножирової промисловості полягає у розробці перспективних технологій одержання модифікованих кулінарних жирів. Одержані в результаті модифікації жири мають високу якість і можуть бути використані у виробництві кулінарної продукції у фритюрі, та жировмістивних харчових продуктах. Взято участь у розробці нормативно-технічної документації на новий вид продукту – жири модифіковані рослинні кондитерські, кулінарні, хлібопекарські та для молочної промисловості – ТУ У 20.5 – 1225000194 – 001 : 2019. Проведено апробацію виробництва модифікованих кулінарних жирів шляхом етерифікації жирних кислот спиртами високої молекулярної маси в промислових умовах ВП ЗЖК ТОВ "Щедро" (м. Запоріжжя). Результати дисертаційних досліджень впроваджено в навчальний процес кафедри технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ". У дисертаційній роботі вперше сформульовано робочу гіпотезу щодо удосконалення технології модифікації жирів шляхом етерифікації жирних кислот одноатомними спиртами високої молекулярної маси; одержано нові наукові дані щодо математичних моделей процесу одержання модифікованих кулінарних жирів в залежності від основних параметрів (співвідношення реагентів, тривалості взаємодії, температури) з використанням як ферментних так і інших каталізаторів; експериментально визначено показники якості та антиоксидантну стабільність розроблених модифікованих кулінарних жирів, що дозволило прогнозувати їх технологічні властивості; науково обґрунтовано склад кулінарних жирів підвищеної харчової цінності шляхом нехімічної стабілізації олій, призначених для термічної обробки з підвищеною антиоксидантною стабільністю; визначено раціональні умови одержання нового типу модифікованих жирів шляхом алкоголізу пальмового стеаину в залежності від основних параметрів процесу модифікації, а саме кількості ферменту, мольного співвідношення (жирна кислота: спирт етиловий), температури і тривалості процесу, що дозволило одержати жири спеціального призначення для використання в харчовій промисловості (кулінарні, хлібопекарські і для молочних продуктів). У дисертаційній роботі набуло подальшого розвитку експериментальне обґрунтування використання розроблених модифікованих кулінарних жирів при виробництві кулінарної продукції у фритюрі і як жирового компоненту для хлібобулочних виробів, що забезпечує високі показники якості одержаної продукції; уточнення наукових даних щодо фізико-хімічних характеристик, особливостей жирнокислотного і ацилгліцеринового складу, окислювальної стабільності модифікованих кулінарних жирів. Інноваційна технологія, що пропонується, а саме, етерифікація жирних кислот спиртами високої молекулярної маси в якості фритюрних жирів допомагає подолати проблему термічного псування жирів. Ефіри жирних кислот та високомолекулярних спиртів погано гідролізуються, тому застосування їх як кулінарних (фритюрних) жирів є перспективним. Використання ефірів жирних кислот і високомолекулярних спиртів в якості фритюрних жирів є перспективним напрямом, який дозволяє виключити небажані процеси в ході смаження. На підставі системного аналізу науково-технічної та патентної інформації сформульовано робочу гіпотезу щодо удосконалення технології модифікації жирів шляхом етерифікації жирних кислот спиртами високої молекулярної маси. Ефіри жирних кислот та високомолекулярних спиртів погано гідролізуються, тому застосування їх як кулінарних (фритюрних) жирів є перспективним і дозволяє виключити небажані процеси в ході смаження. Створено математичне описання (у вигляді регресійної моделі) і встановлено раціональні умови технології ферментативної етерифікації жирних кислот спиртами високої молекулярної маси: співвідношення реагентів – 0,9 моль/моль, тривалості взаємодії – 240 хв, температури процесу – 60 °С, що забезпечує максимальний вихід цільової фракції 99,42 %. Створено математичне описання (у вигляді регресійної моделі) і встановлено раціональні умови технології етерифікації жирних кислот спиртами високої молекулярної маси з хімічним каталізатором: співвідношення реагентів – 0,98 моль/моль, тривалості взаємодії – 280 хв, температури процесу – 172 °С, що забезпечує максимальний вихід цільової фракції 96,87 %. Встановлено, показники якості одержаних модифікованих жирів: за температурою плавлення жири кваліфіковано як жири кулінарні, та сировина для жирових продуктів; густина одержаних зразків ефірів є меншою за густину традиційного фритюру. Виявлено, що всі зразки ефірів мають значно нижчу кінематичну в’язкість у порівнянні з соняшниковою олією, яку часто використовують у якості фритюру. Тобто, під час смаження продукт менше поглинатиме такий фритюрний жир, що зменшить калорійність готового продукту. Визначено антиоксидантну стабільність зразків ефірів, що у 3,4-6,8 разів вища за соняшникову олію. Визначено технологічні параметри використання нових модифікованих кулінарних жирів як фритюру. Експериментально встановлено, що після 30 циклів смаження значення кислотного і пероксидного чисел відповідають нормативним документам для харчових жирів. Значення пероксидного числа розробленого фритюрного жиру після 30 циклів смаження становить 1,18 ½ О/кг, що у 20,1 рази менше ніж показник для традиційного фритюрного жиру. Після смаження у фритюрі залишковий вміст розробленого кулінарного жиру у продукті в 1,24 рази менше ніж під час смаження в соняшниковій олії, що позитивно впливає на органолептичні, смакові і сенсорні якості кулінарної продукції, що одержують способом смаження у такому фритюрі. Науково обґрунтовано та розроблено рецептури рідких кулінарних жирів підвищеної харчової цінності, які містять рослинну олію та пальмовий олеїн у співвідношенні 70:30, що забезпечує збереження високих органолептичних показників, зокрема, прозорості. Встановлено антиоксидантну стабільність розроблених сумішей, яка в порівнянні з початковими оліями збільшувалася: для суміші соняшникової олії і пальмового олеїну в 1,2 рази, а для суміші соєвої олії і пальмового олеїну в 1,26 рази. Таким чином, запропоновано ефективний шлях стабілізації олій, призначених для термічної обробки, шляхом купажування із пальмовим олеїном. Науково-обгрунтовано технологію спеціалізованих жирів на основі пальмового стеарину. Розроблено нову технологію модифікації жирів, яка дозволяє шляхом алкоголізу пальмового стеарину одержати новий тип жирів спеціального призначення для використання в харчовій промисловості (кулінарні, хлібопекарські і для молочних продуктів). Встановлено раціональні умови одержання таких жирів: кількість ферменту Lipozyme TL IM – 12 % від маси жирних кислот; мольне співвідношення жирна кислота: спирт етиловий – 1:3; температура процесу – 60 °С; тривалість проведення процесу – в залежності від необхідної кваліфікації. Встановлено, що одержані жири за показниками якості відповідають вимогам нормативних документів, які передбачено для жирів спеціального призначення, а крім того, збагачені фізіологічно-активними інгредієнтами – етиловими ефірами жирних кислот, які краще засвоюються і зменшують ресинтез жиру в організмі людини. Використовуючи розроблений спосіб, обираючи необхідну сировину і варіюючи умови проведення реакції, можна одержувати жири спеціального призначення. Запропоновано технологічну схему виробництва модифікованих кулінарних жирів, яка не потребує додаткових капітальних витрат на модернізацію устаткування, засоби автоматизації; виробництво продукту може бути реалізовано на існуючому технологічному устаткуванні.The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences (doctor of philosophy) on a specialty 05.18.06 "Technology of fats, essential oils and perfumery and cosmetic products" (18 – Production and technologies). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to scientific substantiation and development of technology of modified culinary fats. The relevance of the research topic is due to the fact that so far there are not enough domestic specialized products, in particular for thermal cooking. It is known that the purpose of creating an "ideal" frying fat is to minimize the processes of thermal damage. At a frying temperature of 160-180 °С, a number of processes take place in the oil, which are reflected in the quality of the product. With the existing technology of deep frying, there is a rapid formation of products of oxidative destruction and polymerization of fats, which are harmful to the body and impair the assimilation of finished products. The industry faces an urgent technological task - to reduce the "oil content" of fried products, developing frying fat that meets modern standards of food production, frying fat is needed, which should not oxidize or change color for as long as possible. In addition, its "removal" with the products that are fried in it should be 40-50 % less than ordinary fats. Taking into account these factors, an innovative technology for obtaining culinary (frying) fats by esterification of fatty acids with high molecular weight alcohols is proposed. The relevance of the topic and the importance of the results of the dissertation is confirmed by the fact that it was performed according to the plan of research work of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at the Department of Fat and Fermentation Products NTU "KhPI" within the state budget research work Ministry of Education of Ukraine Ukraine: and the development of a method for obtaining a new type of confectionery (culinary) fats for functional purposes" (DR № 0115U000534), where the applicant was the responsible executor of certain stages of work. The practical significance of the work for the oil and fat industry is to develop promising technologies for obtaining modified cooking fats. The resulting fats are of high quality and can be used in the production of deep-fried culinary products and fatcontaining foods. Participated in the development of regulatory and technical documentation for a new type of product – modified vegetable fats confectionery, culinary, baking and dairy industry – TU U 20.5 – 1225000194 – 001: 2019. Approbation of production of modified cooking fats by esterification of fatty acids with alcohol masses in industrial conditions of VP ZZHK LLC "Shchedro" (Zaporozhye). The results of dissertation research are introduced into the educational process of the Department of Technology of Fats and Fermentation Products of NTU "KhPI". In the dissertation work for the first time the working hypothesis concerning improvement of technology of modification of fats by esterification of fatty acids by monoatomic alcohols of high molecular weight is formulated; new scientific data on mathematical models of the process of obtaining modified cooking fats depending on the main parameters of the process (ratio of reagents, duration of interaction, temperature) using both enzyme and other catalysts; the quality indicators and antioxidant stability of the developed modified cooking fats were experimentally determined, which allowed to predict their technological properties; the composition of culinary fats of high nutritional value by non-chemical stabilization of oils intended for heat treatment with increased antioxidant stability has been scientifically substantiated; rational conditions for obtaining a new type of modified fats by alcoholism of palm steain depending on the main parameters of the modification process, namely the amount of enzyme, molar ratio (fatty acid: ethyl alcohol), temperature and duration of the process, which allowed to obtain special fats for food use industry (culinary, baking and dairy products). In the dissertation work the experimental substantiation of use of the developed modified culinary fats at manufacture of culinary products in deep fryer and as a fatty component for bakery products that provides high indicators of quality of the received production has got further development; clarification of scientific data on physicochemical characteristics, features of fatty acid and acylglycerol composition, oxidative stability of modified cooking fats. The innovative technology proposed, namely, the esterification of fatty acids with high molecular weight alcohols as frying fats helps to overcome the problem of thermal spoilage of fats. Esters of fatty acids and high molecular weight alcohols are poorly hydrolyzed, so their use as cooking (frying) fats is promising. The use of esters of fatty acids and high molecular weight alcohols as frying fats is a promising area that eliminates unwanted processes during frying. Based on a systematic analysis of scientific, technical and patent information, a working hypothesis is formulated to improve the technology of modification of fats by esterification of fatty acids with high molecular weight alcohols. Esters of fatty acids and macromolecular alcohols are poorly hydrolyzed, so their use as culinary (frying) fats is promising and eliminates unwanted processes during frying. A mathematical description (in the form of a regression model) and rational conditions for the technology of enzymatic esterification of fatty acids with high molecular weight alcohols: the ratio of reagents – 0.9 mol/mol, the duration of interaction – 240 min, process temperature – 60 °C, which provides maximum yield the target fraction of 99.42 %. A mathematical description (in the form of a regression model) and rational conditions for the technology of esterification of fatty acids with high molecular weight alcohols with a chemical catalyst: the ratio of reagents – 0.98 mol / mol, the duration of interaction – 280 min, process temperature – 172 °C, which provides the maximum yield of the target fraction is 96.87 %. It is established that the quality indicators of the obtained modified fats: according to the melting point of fats are classified as cooking fats and raw materials for fatty products; the density of the obtained ether samples is less than the density of a traditional deep fryer. All ether samples were found to have significantly lower kinematic viscosity than sunflower oil, which is often used as a deep fryer. That is, during frying, the product will absorb less frying fat, which will reduce the caloric content of the finished product. The antioxidant stability of ester samples, which is 3.4-6.8 times higher than sunflower oil, was determined. Technological parameters of using modified cooking fats as a deep fryer are determined. It is experimentally established that after 30 cycles of frying the values of acid and peroxide numbers correspond to the regulations for edible fats. The value of the peroxide value of the developed frying fat after 30 frying cycles is 1.18 ½ O/kg, which is 20.1 times less than for traditional frying fat. After deep frying, the residual content of developed cooking fat in the product is 1.24 times less than when frying in sunflower oil, which has a positive effect on the organoleptic, taste and sensory qualities of culinary products obtained by frying in such a deep fryer. Formulations of liquid culinary fats of high nutritional value, which contain vegetable oil and palm olein in a ratio of 70:30, have been scientifically substantiated and developed, which ensures the preservation of high organoleptic characteristics, in particular, transparency. The antioxidant stability of the developed mixtures was established, which increased in comparison with the initial oils: for the mixture of sunflower oil and palm olein 1.2 times, and for the mixture of soybean oil and palm olein 1.26 times. Thus, an effective way to stabilize oils intended for heat treatment by blending with palm olein is proposed. The technology of specialized fats based on palm stearin is scientifically substantiated. A new fat modification technology has been developed, which allows to obtain a new type of special purpose fats for use in the food industry (culinary, baking and dairy products) by alcoholization of palm stearin. Rational conditions for obtaining the following fats have been established: the amount of Lipozyme TL IM enzyme – 12 % by weight of fatty acids; molar ratio of fatty acid: ethyl alcohol – 1: 3; process temperature – 60 °C; the duration of the process - depending on the required qualifications. It was found that the obtained fats in terms of quality meet the requirements of regulations for special purpose fats, and in addition, enriched with physiologically active ingredients - ethyl esters of fatty acids, which are better absorbed and reduce fat resynthesis in humans. Using the developed method, choosing the necessary raw materials and varying the conditions of the reaction, you can get the full range of special purpose fats. The technological scheme of production of modified cooking fats which does not demand additional capital expenses for modernization of the equipment, means of automation is offered; product production can be implemented on existing technological equipment.