Біотехнологічні основи регулювання дії попередників аромату харчової сировини
| dc.contributor.author | Дубова, Галина Євгеніївна | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-14T15:11:23Z | |
| dc.date.available | 2025-03-14T15:11:23Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 03.00.20 – біотехнологія. – ВНЗ УКООПСПІЛКИ «Полтавський університет економіки і торгівлі», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України, Київ, 2025. Дисертацію присвячено теоретичному та експериментальному обґрунтуванню наукових основ якісно нових технологій ароматизації харчової продукції. В основу досліджень покладена наукова гіпотеза про те, що цілеспрямований вплив на попередники аромату під час обробки рослинної сировини або їстівних грибів дозволяє доповнити класичні методи ароматизації. На підставі отриманих результатів досліджень наданий розвиток науковопрактичному напряму – технології харчової продукції, ароматизованої за допомогою впливу на процеси ферментативного формування аромату. За біотехнологічну основу ароматизації харчової продукції прийняті відомі природні реакції рослинних ферментів, відтворені в штучних умовах. Систематизація відомостей про участь попередників аромату довела перспективність процесів утворення in vitro ароматів, затребуваних в харчовій промисловості, летких речовин зеленого листя (Green Leaf Volatiles – GLVs), фруктових, грибних та ін. Темпи зростання органічної продукції, оздоровчого й профілактичного спрямування обумовлюють більш глибоке розуміння філософії їжі під час використання інноваційних технологій ароматизації. Наведений аналіз розвитку виробництва ароматизаторів доводить, що аромат стає одним із основних органолептичних компонентів для розробників продуктів харчування. Ідея дослідження полягає в тому, що процес ароматизації на основі реакцій попередників є керованим, а за результатами керування дозволяє отримати продукт з показниками аромату наближеними до свіжих плодів. У представлених наукових підходах до ароматизації харчової продукції в якості попередників використані ліпідні емульсії, вищі ненасичені жирні кислоти клітинних мембран свіжих плодів або таких, що пройшли попередню обробку. В якості рослинних ферментів використані водні суспензії бобів сої, бобів маш, рослинних гомогенатів, які володіють достатньою ферментативною активністю ліпоксигеназ, гідропероксідліаз. Клітинний сік рослин накопичує у собі легколеткі компоненти, які є інгібіторами в процесах утворень de novo ароматичних компонентів під час отримання гідролатів (дистиляту). Запропонований спосіб збільшення виходу ароматичних речовин у дистилят без їх збитку для висушуваної сировини полягає в її попередньому частковому зневодненні шляхом холодного сушіння. Визначено умови полімолекулярної взаємодії і біосинтезу аромату летких речовини в емульсійних ароматизаторах. Обробка рослинних гомогенатів у вакуумі призводить до зближення ліпідних частинок і ферментів, до деформації дифузних оболонок і їх взаємного проникнення. Встановлено, що під час вакуумного нагрівання (температура 32 ± 2 °С, розрідження 6 ± 3 кПа) мембранозв’язані ферменти гідропероксид ліази в суспендованих рослинних гомогенатах не пригнічуються в термооброблених плодах надлишком гідроперекисів. Це пояснюється кращими умовами міжфазної взаємодії між ферментами у реакціях з попередниками ліпідної природи та їх похідними. Зменшення гідратного прошарку між рослинними ферментами та попередниками аромату забезпечується внесенням хлориду натрію у концентрації 12±3 % та сприяє реакціям ароматоутвореня грибів гливи, кавунової оболонки. Встановлено, що екстрактивні речовини рослин імбиру, хрону, гірчиці, зеленого та чорного чаю є інгібіторами рослинних ароматотвірних ферментів цибулі. Гальмування ферментативного утворення аромату цибулі відбувається за участю ферментів порошку гірчиці (переважно мірозінази), хрону (переважно поліфенолоксидази), танінами чорного та зеленого чаю, складовими компонентами імбиру, але в різній мірі, оскільки в процесі ароматоутворення задіяний комплекс рослинних ферментів із різною здатністю до реакцій з попередниками аромату. Пшеничні висівки, введені як добавка при гідротермічній обробці мʼясних субпродуктів разом із гарбузом суттєво змінюють аромат відвару та мʼясних виробів внаслідок впливу на їх ліпідні компоненти. Екстракт пшеничних висівок введений як добавка при культивуванні Pleurotus ostreatus на рідкому поживному середовищі ініціюють ферментативні реакції утворення аромату. У культуральній рідині з пшеничними висівками вміст 1-октен-3-олу (основного компонента, що відповідає за грибний аромат) більш ніж у 1,4 рази. У культивованому міцелії загальна кількість ідентифікованих ароматичних компонентів більше ніж у 1,7 рази порівняно зі зразком, вирощеним без пшеничних висівок. Одночасно із змінами аромату встановлені зміни розподілу попередників між міцелієм та культуральною рідиною. Встановлено, що режими фотостимуляції біосинтетичної активності у біотехнології глибинного культивування їстівних лікарських макроміцетів Hericium erinaceus ІВК-977, Lentinulla edodes ІВК-2541, Ganoderma lucidum IBK1621, викликає зміни, як у кількісному, так і якісному складі жирних кислот та летких ароматичних компонентів. Для лікарського макроміцету Inonotus obliquus IBK-1877 фотостимуляція негативно вплинула на утворення летких ароматичних компонентів в міцелії. Поєднання обробки посівного міцелію G. lucidum IBK1621 фотостимуляцією з колоїдним розчином наночастинок Ag, Fe, Mg негативно впливають на утворення летких ароматичних компонентів з попередників ліпідної природи. За результатами досліджень були визначені умови для утворення природних летких речовини зеленого листя з високим виходом насичених і ненасичених шести-дев’ятивуглецевих альдегідів. Особливістю цих умов є застосування посиленого фізичного впливу на компоненти реакцій – механоактивація у вихровому шарі феромагнітних частинок. Вільні ВНЖК та боби сої, маш утворюють ароматичні компоненти GLV, при цьому ферменти, що містяться у бобах не потребують попереднього очищення, їх активність є достатньою. Ферментативні перетворення попередників аромату залежать від спільної дії і специфічності комплексу LOX/HPL в бобах маш, сої. Диспергування, за рахунок збільшення площі поверхні контакту ферментів з попередниками, прискорює протікання реакцій утворення аромату. Визначено умови активації ферментативної системи сировини шляхом її попередньої обробки - охолодження (t = 1..3 °C, 5 годин), вакуумування (3- 9 кПа), мікрохвильового впливу (0,6 кВт) і комбіновано (мікрохвильового нагрівання і вакуумування) для необхідної зміни аромату або його відновленні. Обґрунтовано можливість участі баштанних культур, після теплової обробки, в процесах відновлення втраченого аромату. Передумовою здійснення процесів продукування свіжого аромату в екстракті ліпідів кавуна, гарбуза, огірків є достатній вміст ВНЖК 30-40 % від загальної кількості жирних кислот, збереження природнього співвідношення лінолевої і ліноленової кислоти. Аналіз антиоксидантної активності, окисно-відновного потенціалу баштанних (кавуни, гарбуз, огірки) культур свіжих і після теплової обробки показав певні тенденції протікання окислювальних процесів. Ці два показники значною мірою визначають здатність плодів до повторного утворення ароматичних компонентів. Гідротермічна обробка огірків, гарбуза, кавунів, знижуючи окисно-відновний потенціал на 30±10 mV, антиоксидантну активність більш ніж 50 %, сприяє протіканню окиснювальних реакцій за участю ароматотвірних ферментів. Показано, що плоди, оброблені гідротермічно, у вакуумі та мікрохвильовому полі, заморожуванням у різній мірі утворюють дієнові кон’югати та гідроперекиси, малоновий діальдегід. Баштанні плоди відносяться до групи з невисоким значенням окисно-відновного потенціалу – 60-110 mV. Область значень для плодів зі стабільною антиоксидантною системою (смородина, вишня, солодкий перець) перебуває в межах 180-220 mV. Після термообробляння окисно-відновний потенціал гарбузових плодів знижується, на відміну від плодів зі стабільною антиоксидантною системою, що є фактором для відновлення аромату гарбузових плодів екстрактом рослинних ферментів. Міжфазна активація реакцій з попередниками аромату здійснюється збільшенням площі поверхні контакту в системі, що їх містить, диспергуванням, міжмолекулярною взаємодією в желатиновому желе, шляхом утворення піни. Встановлена перевага використання желатинових розчинів, яка полягає в здатності іммобілізувати ферменти з водного екстракту, володіючи поверхневоактивними властивостями, багаторазово збільшувати поверхню контакту фермент-субстрат і забезпечувати електропритяжіння частинок. Доведено, що вибір періоду збору листя вишні та липи дозволяє досягти після ферментації максимального наближення до вишневого аромату або цвіту липи. Рослинні ароматоутворюючі ферменти листя липи мають більший вплив на аромат в період до цвітіння, ніж після цвітіння, а в листі вишні – після плодоносіння. Участь рослинних ферментів у формуванні специфічного аромату ферментованого листя з попередників аромату відкриває нові джерела для отримання ароматизаторів – листя плодових дерев та ягід. На основі наукової концепції, сформульованої в дисертаційній роботі, і узагальнених експериментальних даних, отриманих при її виконанні, надані науково-практичні рекомендації приготування ароматизованих харчових продуктів (піни, желе, сіль з травами, соусів, дистилятів, наповнювачів, емульсії, ароматизованих олій та ін.). Розроблена технологія попередньої обробки трав, яка дозволяє збільшити насичення ароматом солі, одночасно знизивши кількість трав у співвідношенні з сіллю. Наведені пропозиції щодо ароматизації плодового пюре за допомогою фасування з автономним міксингом та рослинними ферментами. Встановлено, що відновлення аромату м’якоті кавуна і дині можливо практично здійснити за рахунок уведення амінокислот нуту і квасолі. Ароматизовані продукти долають сенсорний дефіцит, пов'язаний зі скороченням солі, цукру, жиру в харчових продуктах. Соціальне значення нових способів ароматизації полягає в розробці продуктів харчування для дітей, літніх людей та людей, схильних до хронічних захворювань. Технологічні розробки присвячені стравам лікувального та дієтичного харчування хронічних хворих, технологіям харчових продуктів зі зміненими рецептурами та таким, які особливо обмежені ароматичними дескрипторами. | |
| dc.description.abstractother | This dissertation focuses on the theoretical and experimental validation of new technologies for flavoring food products. The research is based on the hypothesis that targeted manipulation of aroma precursors during the processing of plant raw materials and macromycetes can complement traditional flavoring methods. The results presented in this work advance the scientific and practical aspects of food product technology, emphasizing the enzymatic formation of aromas. This biotechnological approach leverages known reactions of plant enzymes, artificially replicated, as the foundation for food flavoring. The study systematizes information on the role of aroma precursors. It highlights the potential of in vitro aroma formation processes, particularly in producing highly desirable volatile substances from sources such as green leaves (Green Leaf Volatiles – GLVs), fruits, and mushrooms. The rising demand for organic products, coupled with an increased focus on health and wellness, has deepened the appreciation of culinary philosophy, particularly in using innovative flavoring technologies. The analysis of flavor production trends suggests that flavor is becoming an increasingly critical organoleptic component for food developers. The research explores the controlled aromatization process based on precursor reactions, allowing for the creation of aroma profiles that closely replicate those of fresh fruits. In the proposed scientific approaches to food aromatization, lipid emulsions and higher unsaturated fatty acids from the cell membranes of fresh or preprocessed fruits are employed as precursors. Additionally, aqueous suspensions of soybeans, mung beans, and plant homogenates – rich in lipoxygenases and hydroperoxidases – are used as plant enzymes due to their sufficient enzymatic activity. Plant cell sap accumulates volatile components that inhibit the formation of de novo aromatic compounds during hydrolate (distillate) production. To increase the yield of aromatic substances in the distillate without damaging the dried raw material, a method involving preliminary partial dehydration via cold drying is proposed. The conditions for polymolecular interaction and aroma biosynthesis of volatile compounds in emulsion flavorings were determined. Processing plant homogenates under vacuum facilitates the convergence of lipid particles and enzymes, leading to the deformation of diffuse membranes and their mutual penetration. It was found that during vacuum heating (32 ± 2°C, with a vacuum pressure of 6 ± 3 kPa), membranebound hydroperoxide lyase enzymes in suspended plant homogenates are not inhibited by excess hydroperoxides in heat-treated fruits. This phenomenon is attributed to enhanced interphase interactions between enzymes, lipid precursors, and their derivatives. The reduction of the hydrate shell between plant enzymes and aroma precursors is facilitated by introducing sodium chloride at a concentration of 12±3%, enhancing the aroma-forming reactions in oyster mushrooms and watermelon rind. It has been established that the extractive compounds in ginger, horseradish, mustard, and both green and black tea act as inhibitors of the aroma-forming enzymes in onions. The inhibition of onion aroma formation occurs through the activity of enzymes in mustard powder (primarily myrosinase), horseradish (primarily polyphenol oxidase), and tannins in black and green tea, as well as components of ginger. However, the degree of inhibition varies due to the involvement of a complex array of plant enzymes with differing reactivity in the aroma formation process. The introduction of wheat bran as an additive during the hydrothermal treatment of meat offal and pumpkin significantly alters the aroma of broth and meat products, mainly due to its impact on lipid components. When wheat bran extract is used as an additive during the cultivation of Pleurotus ostreatus in a liquid nutrient medium, it stimulates enzymatic reactions involved in aroma formation. In this medium, the concentration of 1-octen-3-ol (the primary compound responsible for the mushroom aroma) is more than 1.4 times higher. Additionally, the total number of identified aromatic components in the cultivated mycelium is over 1.7 times higher compared to samples grown without wheat bran. These changes in aroma are accompanied by shifts in lipid-based aroma precursors, which show varied distribution between the mycelium and the culture liquid depending on the medium’s composition. It was found that photostimulation regimes used in the deep cultivation of edible medicinal macromycetes – Hericium erinaceus IVK-977, Lentinulla edodes IVK-2541, Ganoderma lucidum IBK-1621– induce significant changes in both the quantity and quality of fatty acids and volatile aromatic compounds. In contrast, photostimulation had a negative effect on the formation of volatile aromatic components in Inonotus obliquus IBK-1877. Furthermore, combining photostimulation with a colloidal solution of Ag, Fe, and Mg nanoparticles in treating G. lucidum IBK-1621 seed mycelium also negatively impacted the formation of lipid-derived volatile aromatic components. The research identified the optimal conditions for producing natural volatile compounds in green leaves, yielding high levels of saturated and unsaturated six- to nine-carbon aldehydes. A critical factor in these conditions is the use of enhanced physical forces, specifically mechanical activation in a vortex layer of ferromagnetic particles. Free PUFA, along with soybeans and mung beans, contribute to forming the aromatic components of GLV (Green Leaf Volatiles), with the beans' enzymes showing sufficient activity without requiring preliminary purification. The enzymatic transformation of aroma precursors depends on the combined action and specificity of the LOX/HPL complex in mung beans and soybeans. Increased dispersion, due to a larger surface area of contact between enzymes and precursors, accelerates the rate of aroma formation reactions. The research established optimal conditions for activating the enzymatic system of raw materials through preliminary treatments, such as cooling (1–3°C for 5 hours), vacuuming (3–9 kPa), microwave exposure (0.6 kW), and combined methods (microwave heating and vacuuming) to modify or restore aroma. The study also confirmed the potential for melon crops, after heat treatment, to contribute to restoring lost aroma. For the successful production of fresh aroma in lipid extracts of watermelon, pumpkin, and cucumber, it is crucial to maintain a fatty acid content of 30– 40% of the total fatty acids, along with the natural ratio of linoleic to linolenic acids. The analysis of antioxidant activity and redox potential in melon crops (watermelon, pumpkin, cucumber), both fresh and after heat treatment, revealed notable trends in oxidation processes. These two indicators play a significant role in determining the fruits' capacity to regenerate aromatic components. Hydrothermal treatment of cucumbers, pumpkins and watermelons, which reduces the oxidationreduction potential by 30±10 mV, antioxidant activity by more than 50 %, promotes oxidation reactions involving aroma-forming enzymes. The study shows that fruits subjected to hydrothermal, vacuum, microwave, and freezing treatments form diene conjugates, hydroperoxides, and malondialdehyde to varying degrees. Pumpkin, watermelon pulp, for example, falls into the group with low redox potential, ranging from 60-110 mV, while fruits with robust antioxidant systems, such as currants, cherries, and sweet peppers, have redox potential values between 180- 220 mV. In the case of pumpkin, heat treatment reduces its oxidation-reduction potential, unlike fruits with a stable antioxidant system, which is a factor in restoring the aroma of pumpkin fruits with plant enzyme extract. The interphase activation of reactions involving aroma precursors is achieved by increasing the contact surface area within the system, enhancing dispersion, and promoting intermolecular interactions in the gelatin jelly, including through foam formation. A key advantage of using gelatin solutions is their ability to immobilize enzymes from an aqueous extract, which have surface-active properties. This process significantly increases the enzyme-substrate contact area and facilitates the electroattraction of particles. Research has shown that selecting the optimal collection period for cherry and linden leaves can closely replicate the natural aroma of cherries or linden blossoms after fermentation. In linden leaves, aroma-forming plant enzymes have a more substantial impact before flowering, while in cherry leaves, this effect is more pronounced after fruiting. The role of plant enzymes in transforming aroma precursors to create the distinctive fragrance of fermented leaves opens up new possibilities for sourcing aromas from the leaves of fruit trees and berry plants. Drawing on the scientific concepts outlined in the dissertation and the comprehensive experimental data collected, this work offers scientific and practical recommendations for preparing a variety of flavored food products, including foams, jellies, herb-infused salts, sauces, distillates, fillers, emulsions, and flavored oils. A new herb pre-treatment technology has been developed, enabling enhanced aroma saturation in salt while reducing the quantity of herbs used. Additionally, suggestions are provided for flavoring fruit purees through packaging equipped with autonomous mixing and the use of vegetable enzymes. It has also been demonstrated that restoring the natural aroma of watermelon and melon pulp can be effectively achieved by incorporating amino acids derived from chickpeas and beans. Flavored products help to address the sensory deficits that arise from reducing salt, sugar, and fat in food. The social significance of these new flavoring techniques is essential for creating food products tailored to children, older adults, and individuals with chronic conditions. Technological advancements in this area focus on medical and dietetic meals for chronic patients, specialized nutrition for military personnel, and developing food products with modified recipes, especially those constrained by limited aromatic descriptors. | |
| dc.format.extent | 51 с. | |
| dc.identifier.citation | Дубова, Г. Є. Біотехнологічні основи регулювання дії попередників аромату харчової сировини : реф. дис. … д-ра техн. наук : 03.00.20 - біотехнологія / Дубова Галина Євгеніївна. – Київ, 2025. – 51 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/72930 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | ароматичні компоненти | |
| dc.subject | дистиляти (гідролати) | |
| dc.subject | макроміцети | |
| dc.subject | рослинні ферменти | |
| dc.subject | попередники аромату | |
| dc.subject | ферментативні реакції | |
| dc.subject | вакуумна обробка | |
| dc.subject | жирнокислотний склад | |
| dc.subject | мікрохвильове поле | |
| dc.subject | желатинове желе | |
| dc.subject | технології | |
| dc.subject | гарбузові плоди | |
| dc.subject | aromatic components | |
| dc.subject | distillates (hydrolates) | |
| dc.subject | macromycetes | |
| dc.subject | plant enzymes | |
| dc.subject | aroma precursors | |
| dc.subject | enzymatic reactions | |
| dc.subject | vacuum treatment | |
| dc.subject | fatty acid composition | |
| dc.subject | microwave field | |
| dc.subject | gelatin jelly | |
| dc.subject | technologies | |
| dc.subject | pumpkin fruits | |
| dc.subject.udc | 602.4:664:637.057 | |
| dc.title | Біотехнологічні основи регулювання дії попередників аромату харчової сировини | |
| dc.type | Thesis |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: