Введение. Увеличение интереса к компьютеризации и автоматизации условий трудовой деятельности человека существенно снижает уровень его физической активности, что, в свою очередь, требует пересмотра пищевого рациона в сторону оптимизации баланса между энергопотреблением организма и калорийностью пищи [1]. Исходя из существующего сырьевого набора, питание становится избыточно калорийным и приводит не только к нарушениям обменных процессов, но, также, и к ряду заболеваний – ожирение, сахарный диабет, сердечная недостаточность.

Согласно классическим канонам принятия пищи, сладкие блюда являются позитивным (в психологическом и физиологическом аспектах) завершением любой трапезы [2]. Однако высокая энергетическая ценность значительно снижает уровень их потребления, что приводит к ряду нервных расстройств, связанных с неудовлетворением процесса принятия пищи из-за ощущения незавершенности.

Таким образом, решение вышеобозначенной проблемы приобретает актуальность и диктует необходимость создания низкокалорийных сладких блюд с повышенной биологической и пищевой ценностью.

Как известно, большинство сладких блюд создаются посредством образования гелей или эмульсий. В первом случае носителем большого числа калорий выступает желатин, во втором – жир. Калорийность десертной продукции, созданной по эмульсионному типу, снизить более проблематично, чем продукции гелеобразной.

На сегодняшний день особенной популярностью пользуются блюда на основе полисахаридов, которые способны формировать гель и при этом не вырабатывать большого числа калорий при усвоении в организме человека. Однако принципы гелеобразования в системе полисахаридов недостаточно изучены, поскольку требуют глубокого понимания химических взаимодействий между участниками процесса. Сложность заключается в неоднородности качественного и количественного состава полисахаридов, возникающей из-за природы их происхождения и факторов формирования полисахаридных цепочек в природном сырье. Также большой сложностью является понимание конформационных превращений, возникающих в поле обводнённых полисахаридных цепочек в присутствии химически активных центров связывания, которыми выступают свободные ионы металлов (Са²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺). Наибольший интерес из представленного спектра химически активных центров представляют полисахаридные гели пектина, образованные посредством комплексообразования в присутствии ионов кальция.

Цель работы – исследование процесса гелеобразования в системе «NEA pectin : Ca ²⁺» для получения низкокалорийных пищевых композиций с последующим их использованием в сладких блюдах.

Материалы и методы исследования. Низкоэтерифицированный амидованный цитрусово-яблочный пектин «NECJ-A1» (производитель: «PEKTOWIN» Sp.z o.o., w_сух.в-в ≥ 90 %), кислота лимонная, сахар белый кристаллический, вода питьевая подготовленная. Изучение физико-химических показателей гелеобразных систем осуществлялось согласно стандартным методикам, сравнительный органолептический анализ был проведен методом органолептической оценки.

Для подтверждения термодинамического преимущества образования комплекса кальция с остатками галактуровой кислоты в составе пищевых систем было проведено квантово-химическое моделирование с использованием метода РМ6 [3]. Результаты квантово-химического моделирования были сопоставлены с результатами исследования термодинамического равновесия в системе «NEA pectin : Ca ²⁺», которые осуществлялись по методике проведения прямой калориметрии.

Результаты исследования и их обсуждение. Одним из путей решения данной проблемы является создание продукции, которая по органолептическим показателям должна оставаться привычной для потребителя и при этом иметь низкую калорийность. Таким образом, в работах [4, 5] были освещены предложения по созданию желе на плодово-ягодной и цитрусовой основе с альтернативной технологической заменой желатина, который является достаточно калорийным студнеобразователем, на пектин, учитывая его способность образовывать ионотропные гели в присутствии свободных ионов кальция.

Рис. 1. Технологическая схема получения полуфабриката «Порошок яичной скорлупы»

Technological scheme of obtaining semifinished «egg shell powder»

На первом этапе исследования была создана система «NEA pectin : Ca²⁺», в состав которой входили низкоэтерифицированный амидированный пектин и ионы кальция, извлеченные из порошка яичной скорлупы ультра мелкого помола путём химических взаимодействий между ионами металла и остатками галактуроновых кислот.

Разработка технологии полуфабриката «Порошок яичной скорлупы» для последующего использования его в системе «NEA pectin : Ca²⁺» осуществлялась с соблюдением условий безопасности и органолептической привлекательности полуфабриката в готовом продукте.

Технологическая схема получения полуфабриката «Порошок яичной скорлупы» [4] представлена на рис. 1., из которого видно, что процесс изготовления начинается с полной санитарной обработки сырья, согласно СанПиН 42-123-5774-91.

Далее, под струей воды скорлупа была освобождена от подскорлупной оболочки, проварена при слабом нагреве и, после извлечения из варочной среды, обсушена на воздухе. Подготовленное таким образом сырьё было измельчено на дисмембраторе [6] до размера частиц 35-41 мкм, что являлось достаточным для того, чтобы не быть распознанными чувствительными зонами языка.

Для проверки степени безопасности, полученный полуфабрикат был исследован на микробиологическую чистоту (табл. 1).

Таблица 1

Микробиологические показатели безопасности полуфабриката «Порошок яичной скорлупы»

Microbiological safety indicators semifinished «Powder eggshell»

Результаты, приведенные в табл. 1., позволяют судить о безопасном применении данного полуфабриката в питании.

Для придания органолептической привлекательности в технологическом моделировании были использованы кислота лимонная (0,13-0,16%) и сахар кристаллический (16%).

В основу разработки технологии было положено химическая активность ионов кальция, которая возникает в момент его попадания в сетку высокомолекулярного раствора низкоэтерифицированного амидированного пектина. По сравнению с обычными низкоэтерифицированными пектинами, амидированные обладают рядом преимуществ, которые становятся в пользу гелеобразования. Во-первых, образуются термообратимые гели. Во-вторых, система приобретает тиксотропность, благодаря свойствам амидированных пектинов. В-третьих, системе присуща толерантность к широкому диапазону концентраций ионов кальция даже при их низкой концентрации (0,025%).

Для разработки технологии был выбран именно низкоэтерифицированный амидированный пектин «NEA pectin», поскольку он более высокочувствителен к свободным ионам кальция по сравнению с обычным низкоэтерифицированным пектином, что, в свою очередь, требует меньшей концентрации минерального компонента для гелеобразования, что будет способствовать лучшему усвоению пищевой системы в организме человека. На рис. 2 показана зависимость прочности таких гелей от концентрации порошка яичной скорлупы в исследуемой системе.

Рис. 2. Зависимость прочности студней на основе пектина отсодержанияпорошкаяичнойскорлупы

Dependence of the strength of gels based on the content of pectin powder eggshell

Из рис. 2 видно, что с увеличением кальцийсодержащего компонента прочность системы также увеличивается, однако, следует отметить, что по органолептическим показателям есть ограничения.

Таким образом, в ходе органолептического анализа было установлено, что необходимое количество кальция, которое позволит получить органолептически привлекательные образцы, содержится в диапазоне 0,025-0,4 % порошка яичной скорлупы.

Полученные гели имели свойственный для желатиновых студней стекловидный излом. В ходе наблюдений, полученных во время эксперимента, следует отметить, что низкое содержание кальция позволяет получить прозрачные упругие гели, не склонные к быстрому синерезису. Однако с увеличением количества минерального компонента в системе хотя и наблюдалось увеличение силы, выдерживающей нагрузку, но при этом гели становились более грубыми и ломкими.

На рис. 3 приведена модель комплекса кальция с четырьмя остатками галактуроновой кислоты, полученная путём квантово-химического моделирования методом РМ6.

Рис. 3. Модель устойчивого комплекса кальций галактуроната

Model stable complex calcium galacturonate

Связь в системе «NEA pectin : Ca ²⁺» носит ионный характер. Равномерно распределенная сила связи между четырьмя остатками галактуроновых кислот разрушается, в результате попадания системы в кислую среду (желудочный сок), что приводит к высвобождению ионов Са²⁺ для дальнейшей их усвояемости организмом человека.

В ходе эксперимента были также установлены сроки и условия хранения полученных образцов (t = +4-8 °C, t =  3-4 сут.). Сроки хранения в закрытом виде на данный момент уточняются.

Заключение. Таким образом, было установлено, что полученные гели на основе системы «NEA pectin : Ca ²⁺» с использованием порошка яичной скорлупы, как источника кальция, в диапазоне 0,025-0,4 %, имеют хорошие органолептические показатели и могут выступить низкокалорийной альтернативой желатиновым гелям.

Также было доказано, что реализация свойств системы «NEA pectin : Ca²⁺» будет происходить в подкисленных пищевых средах. Для этого было предложено использование цитрусового и/или плодово-ягодного сырья.

Путём проведения прямой калориметрии были подтверждены тепловые эффекты моделей комплекса кальция с галактуронатами, полученные в ходе квантово-химического моделирования. Разница между тепловыми эффектами составила 3%, что подтверждает правильность результатов квантово-химического моделирования.

Таким образом, работы в этом направлении можно считать весьма перспективными.