Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературных источников 9
1.1 Перспектива использования продуктов функционального питания 9
1.1.1 История появления голозерного овса 10
1.1.2 Пищевые волокна в мучных кондитерских изделиях 11
1.1.3 Овес - функциональный ингредиент 13
1.1.4 Основные направления развития производства мучных кондитерских изделий 15
1.2 Характеристика зерна овса и его химический состав 17
1.2.1 Белки 18
1.2.2 Проламины 20
1.2.3 Липиды 26
1.2.4 Углеводы 30
1.2.4.1Полисахариды 31
1.2.4.2Некрахмальные полисахариды 32
1.3 Использование зерна овса и продуктов его переработки в мучных изделиях для функционального питания 37
1.4 Гидротермическая обработка зерна 40
1.5 Технология приготовления заварных изделий 42
1.5.1 Используемое сырье и основные рецептуры на традиционные заварные изделия 42
1.5.2 Процессы, проходящие при замесе теста и выпечке заварных изделий 43
1.6 Выводы по разделу 46
2 Объекты и методы исследования 47
2.1 Организация и схема экспериментальных работ 47
2.2 Объекты исследования 49
2.3 Методы исследования 51
3 Экспериментальные исследования 59
3.1 Электрофоретический анализ авенинов голозерного зерна овса 59
3.2 Содержание некрахмальных полисахаридов 61
3.3 Липидный комплекс голозерных сортов овса 66
3.4 Результаты исследований функционально-технологических показателей муки 70
3.5 Результаты исследований структурно-механических свойств теста 71
3.6 Реологические свойства заварного теста из цельносмолотой овсяной муки 75
4 Разработка рецептуры и технологии заварных изделий из цельносмолотой муки зерна голозерного овса 78
4.1 Разработка рецептуры начинок для заварных изделий 80
4.2 Разработка технологической схемы производства заварных изделий 83
4.3 Намокаемость изделий из заварного теста 85
4.4 Органолептические профили заварных изделий 85
4.5 Пищевая и энергетическая ценность изделий 87
4.6 Разработка нормативно-технической документации 90
Выводы и рекомендации 91
Заключение 92
Список литературы 94
Приложение 1 109
Приложение А 119
Приложение Б 120
Приложение 2 123
Приложение 3 128
- Проламины
- Содержание некрахмальных полисахаридов
- Реологические свойства заварного теста из цельносмолотой овсяной муки
- Пищевая и энергетическая ценность изделий
Введение к работе
Актуальность работы. Зерновые культуры составляют основу продовольственной системы. Среди них в различных странах преобладают пшеница (Triticum aestivum), рожь (Secale cereale), ячмень (Hordeum vulgare). Хотя овёс (Avena sativa) может выращиваться в северных регионах и его зерно характеризуется высокой пищевой и кормовой ценностью, но эта культура возделывается в ограниченном объёме. Высокое содержание оболочки в зерне традиционных плёнчатых сортов овса является основной причиной пониженного интереса к возделыванию этой культуры, что связано с низкой экономической эффективностью промышленной переработки зерна.
По этой причине в последние десятилетия возрос интерес к селекции и возделыванию разновидностей голозёрного овса (Avena sativa ssp.nuda). Эта культура происходит из Китая, где она возделывается более 2500 лет. В настоящее время в КНР осуществляется Национальная программа по овсу и гречихе, которая предусматривает формирование замкнутой цепи от селекции, выращивания, хранения зерна и его промышленной переработки [Chaugzhong Ren, 2016]. Из Китая голозёрный овёс как сорняк попал в Европу, а затем в 17 веке стал культивироваться в Англии. С 1960г эта культура возделывается в Канаде, Швеции, Англии, Финляндии и США. В последнее десятилетие голозёрный овёс выращивается в Англии на 4500-6000га и его урожайность выросла до 6 т/га.
Бенчмаркинг производства и переработки зерна голозёрного овса, показывает, что сильная сторона голозёрного овса – высокая пищевая ценность. Это определяет основные цели его использования, а именно промышленное производство пищевой продукции [Peltonen-Sainto, Kirkari, Jauhiainen, 2004].
В России голозёрный овёс практически является новой зерновой культурой. Внедрение его в производство относится ориентировочно к 2000г, когда в Государственный реестр был включён сорт Тюменский (НИИСХ Северного Зауралья).
В России проводится обширная работа по селекции голозёрных овсов, эффективных для выращивания в различных почвенно-климатических зонах и устойчивых к патогенным организмам и абиотическим факторам [Баталова Г.А., 2016].
Биохимические и функционально-технологические свойства зерна голозерного овса отечественной селекции изучены недостаточно. Однако их исследование необходимо для разработки реальной стратегии производства пищевой продукции функционального и специализированного назначения.
Степень разработанности темы.
Влияние генотипа, почвенно-климатических и агротехнических факторов на химический состав и технологические параметры зерна голозерного овса исследованы специалистами различных стран: Xin-Zhong, Changzhong Ren (Китай); Olof Olsson, Andreas Hansson (Швеция); И.Г. Лоскутов, И.П. Гаврилюк, Н.К. Губарева, В.Н. Красильников (Россия), M. Krosmak, A. Zalewska, D.
Golebiewski (Польша); F. Haziar, M. Hevrientova (Словакия); T. Sontag-Strom, H. Salovaara, F. Lehtinen, H. Tuuri, H. Antila (Финляндия) и другие.
Использование зерна пленчатых и голозерных сортов овса в производстве пряничных и вафельных изделий диетического назначения рассмотрены в работах Н.В. Барсуковой и В.С. Попова.
Цель работы – исследование биохимических и функционально-технологических свойств зерна голозерного овса и разработка технологии функциональных мучных кондитерских изделий на его основе.
Задачи исследования:
- определить содержание и исследовать гетерогенность проламинов
(авенинов) зерна новых селекционных линий и районированных сортов
голозерного овса как факторов аутоиммунных заболеваний;
- определить содержание некрахмальных полисахаридов (-глюканов и
арабиноксиланов) в зерне сортов голозёрного овса как важных функционально-
физиологических факторов;
- определить содержание и исследовать жирнокислотный состав липидов
зерна голозерного овса сортов отечественной селекции;
- разработать технологию заварных изделий из муки цельносмолотого
зерна овса;
- исследовать реологические свойства заварного овсяного теста и
товароведные характеристики готовых изделий;
- разработать проект технической документации на производство мучных
кондитерских изделий.
Научная новизна:
Установлено, что в составе проламинов (авенинов) исследуемых сортов голозерного овса имеются только - и -фракции. В составе каждой фракции обнаружены различные электрофоретические компоненты, которые могут быть использованы для характеристики сортовой специфичности авенинов, генетических различий между сортами и линиями;
Установлена прямопропорциональная зависимость (r=0,85) между содержанием арабиноксиланов и -глюканов в зерне исследованных сортов голозерного овса.
Определен жирнокислотный состав ацильных липидов зерна голозерного овса сортов отечественной селекции. Овсяное масло относится к олеиново-линолевой группе масел;
Изучены функционально-технологические свойства цельносмолотой овсяной муки из голозерных сортов овса (водо- и жироудерживающая способность, кислотность). Исследования доказывают перспективность использования данной муки для производства заварных изделий;
Проведен сравнительный анализ вязко-упругой деформации пшеничного и овсяного теста, приготовленного при различных температурных режимах.
Практическая значимость работы:
Разработана технология приготовления заварных изделий – профитроли, эклеры, кольца – из муки цельносмолотого зерна голозёрного овса сорта Вятский.
Проведена апробация заварных изделий из муки цельносмолотого зерна овса на предприятии ООО «Главная Линия» г.Санкт-Петербург (акт испытаний от 17.04.2018 г).
Основные положения, выносимые на защиту:
фракционный состав проламинов (авенинов) в зерне голозерного овса;
содержание различных фракций некрахмальных полисахаридов в зерне голозерного овса;
содержание ацильных липидов и жирнокислотный состав липидов зерна голозерного овса;
- рецептура и технология заварных изделий на основе муки
цельносмолотого зерна голозерного овса.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на следующих конференциях: II-ой Международной конференции «Российско-китайская ассамблея по пищевым инновациям» (г. Санкт-Петербург, 2015г.); XV-ая Международная конференция молодых учёных «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2016г.); II Международный форум «Питание и образ жизни как залог здоровья» (г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2016г). The 10-th International Oat Conference (St.-Petersburg, Russia, 2016); Неделя науки СПбПУ, Научная конференция с международным участием, Высшая школа биотехнологии и пищевых технологий (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2016г); I Всероссийская научно-практическая конференция с международным участие «Пищевая индустрия и общественное питание: современное состояние и перспективы развития» (г. Самара, 2017г); I Междисциплинарная конференция FOODLIFE 2018. Генетические ресурсы растений и здоровое питание: потенциал зерновых культур (г. Санкт-Петербург, 2018г).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, списка литературы, включающего 157 источников, из них 73 иностранных, и 3 приложений. Диссертация содержит 130 страниц машинописного текста, 35 таблиц, 18 рисунков.
Проламины
Проламины – группа гомологичных белков злаковых культур, которые растворимы в 70% этаноле. Эта группа запасных белков локализована в эндосперме зерна. Содержание проламинов в зерне варьируется в довольно значительных пределах для различных видов зерновых (таблица 1.5).
Практически для всех проламинов зерновых культур характерно высокое содержание глютаминовой кислоты и пролина.
В настоящее время наиболее изучены биохимические свойства проламинов зерновых трибы Triticeae, к которой относится пшеница (род Triticum), рожь (род Secale), ячмень (род Hordeum). Это не случайно, поскольку в эндосперме зерна этих культур содержание проламинов составляет более 50% запасных белков, что влияет на пищевую ценность и технологические свойства продуктов из этих зерновых.
Наиболее изучены проламины (глиадины) пшеницы, рассмотрим основные биохимические свойства.
1. Методом электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ) обнаружены четыре электрофоретических компонентов этих белков. В порядке убывания их электрофоретической подвижности были обозначены как , , и -фракции. Так возникла номенклатура фракций и компонентов проламинов зерновых [59].
2. Глиадины -, и –фракций составляют около 80-90% всего глиадина. Их молекулярная масса варьирует в пределах 30000-45000D. Их аминокислотный состав характеризуется высоким содержанием глютаминовой кислоты и глютамина (35-40%), а также пролина (15-20%). Интересно отметить наличие у -, и - глиадинов присутствие общих пептидных областей в первичной структуре молекул. Из -глиадина некоторых сортов пшеницы D.D. Kasarda и другие выделили глиадин, имеющий высокую степень агрегации в растворах, который был назван а-глиадином [44, 116].
–глиадин характеризуются очень высоким содержанием глютаминовой кислоты и глютамина (до 56%), пролина (до 30%), фенилаланина (до 10%). Множество гидрофобных и амидных групп определяют их высокую способность к гидрофобнымвзаимодействиям и образованию водородных связей. Из-за высокого содержания пролина практически отсутствие дисульфидных связей третичная структура молекул -глиадина неустойчива, что облегчает межмолекулярные взаимодействия. Именно поэтому -глиадины имеют высокую способность образовываать ассоциации с липидами.
3. С проламинами (глиадинами) связывают особого рода кишечные заболевания – глютеновую энтеропатию (целиакию), относящуюся к аутоиммунным заболеваниям. Клинические проявления этого заболевания провоцируются в тонком кишечнике специфической реакцией Т-клеток иммунной системы человека на некоторые проламины зерновых с высоким содержанием пролина и глютамина. Из-за высокого содержания пролина эти белки устойчивы к протеолизу в желудке и неразрушенными достигают тонкого кишечника, где за счет дезамидирование тканевой трансглютаминазой открывают эпитопы, являющиеся мощными Т-клеточными стимуляторами. Частота этого заболевания составляет около 1% населения от мирового показателя [65, 141, 156].
Общая классификация белков клейковины пшеницы, основанная на их растворимости и результатах электрофоретического анализа (рисунок 1.2) [139].
Многочисленные вариации эпитопов, токсичных при целиакии идентифицированы во фракциях -,-опл, -глиадинов, низкомолекулярных и высокомолекулярных субъединицах глютенина.
В таблице 1.6 представлены аминокислотные последовательности отдельных эпитопов пшеницы, токсичных при глютеновой энтеропатии [94, 125, 141]. Данные фрагменты содержат не более 8-10 аминокислотных последовательностей. Для них характерно высокое содержание пролина и глютаминаю.
По-видимому, наиболее важным фактором, ответственным за токсичность эпитопов при глютеновой энтеропатии, является присутствие в их структуре дипептида FP [130].
4. Глиадины проявляют видовую и геномную специфичность. Использования их в идентификации геномов возможно в основном за счет - и -глиадинов. Самой низкой антигенной активностью обладают -глиадины.
С точки зрения перспективности селекции пшеницы, не токсичных при глютеновой энтеропатии, интересны предварительные результаты исследования геномной специфичности -глиадинов с высокой антигенной активностью (таблица 1.7).
Данные из таблицы 1.7 свидетельствуют о существенных генетических различиях -глиадинов по указанному признаку [138]. В геноме А (T.monococcum) эпитопы glia-9 и glia-20 представлены 15 генетическими вариациями. В геноме В (T.speltoides) только glia- представлен двумя генетическими вариациями. По линии генома D (T.tauschii) обнаружена частота проявления четырех известных эпитопов. Эти результаты открывают возможные стратегии для селекции хлебопекарных пшениц, не токсичных при целиации.
5. Большой интерес представляет последовательность образования отдельных фракций глиадинов в онтогенезе. Установлено, что синтез глиадина начинается в фазе формирования зерновки и заканчивается в фазе налива. Сначала образуются компоненты -и -глиадинов и быстрые компоненты -глиадинов. Их последней стадией образуются медленные компоненты -глиадина и -глиадин.
По-видимому, с этой фракцией глиадинов связано «созревание» клейковины, что определяет ее физико-химические свойства, а, следовательно, хлебопекарные свойства муки. Предполагается, что образования -глиадиновна самых поздних стадиях развития зерна свидетельствует о том, что эти белки эволюционно самые молодые.
Овес (род Avena), в отличие от зерновых культур трибы Triticeae, характеризуется низким содержанием в зерне продаминов (авенинов). Аминокислотный состав авенинов отличается пониженным содержанием пролина, что предполагает отсутствие в них некоторых эпитопов, токсичных при целиакии. Можно предполагать, что эти обстоятельства отчасти объясняют, почему овес считается относительно безвредным при целиакии. Необходимы дальнейшие исследования иммунохимических свойств авенинов, поскольку имеется определенная группа лиц с симптомами этого заболевания, чувствительных к овсу. Овес рассматривается как прекрасный источник пищевых волокон, как -глюканы [44].
В ранних исследованиях подтверждается, что реакция проламинов с сывороткой крови больных целиакией обусловлены не количеством авенина в белке у сортов овса, а различиями в их иммуногенных свойствах [2, 101, 113, 118, 124, 144, 146]. Изученные данные говорят о том, что для одних больных овес не является токсичным и может быть включен в диету, для других больных авенины всех изученных сортов токсичны [112, 120]. Выявлено, что антиглиадиновые антитела IgA и IgG реагируют с антигенными детерминантами проламинов злаков. Важность выбора и селекции безопасных сортов в качестве возможной меры для включения овса в безглютеновые диеты. С одной стороны это позволяет на основе дифференцированного определения типов IgA и IgG антител индивидуализировать диету, а с другой стороны – более целенаправленно продолжить поиск сортов и форм злаков, нетоксичных при целиакии [30].
Содержание некрахмальных полисахаридов
Главными растворимыми компонентами пищевых волокон зерновых культур являются (1,3;1,4)--D-глюканы и арабиноксиланы, являющиеся также основными структурными элементами клеточных стенок различных тканей зерна.
Полученные данные по содержанию некрахмальных полисахаридов в зерне новых селекционных сортов овса представлены в таблице 3.2.
Из представленных данных видно, что в изученных сортах среднее содержание -глюканов составляет 3,4±0,2%, арабиноксиланов 6,4±0,6%. Среднее содержание арабиноксиланов в зерне изученных сортов приблизительно в два раза выше, чем -глюканов. Подобная тенденция наблюдается и для других зерновых таблица 3.3.
Важным показателем, определяющим применение зерна овса, функциональных продуктов, служит содержание и качественный состав арабиноксиланов, а также их состояние (водоудерживающая способность, вязкость, растворимость в воде). Среди изученных сортов можно выделить три группы сортов, а именно сорта с повышенным содержанием арабиноксиланов (7,0 – 7,7%, №№1-6), сорта с низким содержанием арабиноксиланов (5,1 – 5,8%, №№7-12), сорта со средним содержанием этого полисахарида (6,2 – 6,3%, №№13-17). Наименьшее количество арабиноксиланов содержится в гибридных формах.
Для исследованных 17 образцов зерна голозёрных сортов овса отмечена высокая степень корреляционной зависимости между содержанием арабиноксиланов и -глюканов, R=0,85 (рисунок 3.2). Анализ показал наличие линейной зависимости между арабиноксиланами и -глюканами.
Данная корреляция подтверждает, определенную сопряженность пентозофосфатного и гликолитического циклов, и о приоритете в случае голозёрных овсов пентозофосфатного цикла. Так клеточные стенки алейронового слоя содержат больше пентозанов (арабиноксиланов), в клеточных стенках эндосперма преобладает -глюкан.
Не установлено устойчивой корреляционной зависимости между натурой зерна и массой 1000 зёрен, корреляция низкая и отрицательная, составляет 0,37 (рисунок 3.3). Корреляция между натурой зерна и -глюканами низкая и отрицательная, составляет – 0,35 (рисунок 3.4). Корреляция между натурой зерна и арабиноксиланами низкая и отрицательная, составляет – 0,24 (рисунок 3.5).
Отмечена положительная корреляция, но низкая между арабиноксиланами и проламинами, составляет 0,40 (рисунок 3.6). Корреляция между -глюканами и проламинами средняя и положительная и составляет 0,53 (рисунок 3.7).
Молекулярные особенности -глюканов и арабиноксиланов являются важными детерминантами их физических свойств, такими как растворимость в воде, вязкость и свойства гелеобразования, а также их физиологические функции в желудочно-кишечном тракте.
Полученные нами сведения о полисахаридах и проламинах новых сортов голозерного овса открывают новые перспективы для использования их в профилактическом и лечебном питании.
На основе полученных данных были отобраны голозёрные сорта овса 9h09 с одним типом спектра и высоким содержанием арабиноксиланов, сорта Вятский и Першерон с одним типом спектра и со средним содержанием данного полисахарида, сорт 857h05 с двумя типами спектров и низким содержанием арабиноксиланов.
Реологические свойства заварного теста из цельносмолотой овсяной муки
Реология определяется как наука о деформации и течении вещества и описывает в основном материальные свойства жидких и полутвердых материалов.
Реология позволяет управлять структурно-механическими свойствами и качеством конечного продуктов путём подбора и изменения режимов технологии, способов механического воздействия на разных стадиях замеса теста. Получение изделий связано с переработкой связнодисперсных систем и формированием коагуляционных, смешанных и конденсационно-кристаллизационных структур. Тесто относится к группе пластичных тел и занимает промежуточное положение между идеально упругим телом и истинно вязкой жидкостью.
Вязкость является одним из факторов, контролирующих окончательный объем изделий. Заварное овсяное тесто по реологическим свойствам относится к тиксотропным неньютоновским системам, от пшеничного теста отличаются повышенной вязкостью. Высокая вязкость способствует сохранению воздуха, обеспечивая стабильную полость.
Замена пшеничной муки на цельносмолотую овсяную муку оказывает влияние не только на свойства теста, но и на готовые изделия. Заварное тесто относится к неньютоновской системе.
При изучении влияния сорта овсяной муки на вязкость заварного теста, было использовано зерно четырех сортов овса (Вятский, Першерон, 9h09, 857h05), муку получали методом прямого помола зерна после гидротермической обработки. Предоставленные сорта были подобраны (по морфологическим характеристикам, всхожести сортов, состава и др.) и переданы Зональным научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северо-Востока ис. Н.В. Рудницкого (г. Киров) для дальнейших исследований.
На рисунке 3.5 представлена зависимость динамической вязкости теста от времени. При температуре 220С., вязкость коллоидно-дисперсных систем при постоянных условиях и скорости сдвига изменяется (снижается) со временем до постоянной величины. При одинаковой скорости шпинделя вязкость теста из голозерных сортов овса выше, по сравнению с контрольным образцом. Овсяное тесто не образует клейковины. При заваривании некрахмальные полисахариды, крахмал овсяной муки набухают в горячей воде, тесто становится более пластичное и обладает большей вязкостью.
Из рисунка 3.10 отметим, что при одинаковой рецептурной закладке для образцов овсяного теста, имеются небольшие различия кривых течения теста, вязкость заварного теста сорта 9h09 приблизительно в 1,5 выше вязкости остальных образцов. Можно предположить, что различия находятся в биохимическом комплексе генотипа зерна овса. Все остальные образцы близки друг другу и приближаются к контрольному образцу на пшеничной муке.
Пищевая и энергетическая ценность изделий
Изделия из заварного теста (профитроли и эклеры) относятся к категории функционального назначения. Данные изделия носят профилактический характер, могут быть рекомендованы для людей, страдающих диабетом второго типа, ожирением [54].
Исследования показывают, что высокое содержание некрахмальных полисахаридов, пищевых волокон в зерне овса и продукте его переработки (цельносмолотая мука) никакой отрицательной реакции на показатели качества изделий не несет. Следует, что проведенные исследования и полученные результаты служат основой для создания рецептуры и реализации новых мучных кондитерских изделий.
Для разработки проекта документации на новый вид изделий необходимо провести расчет пищевой и энергетической ценности (таблица 4.7). Соблюдения округлений количества белков, жиров, углеводов и энергетической ценности по техническому регламенту Таможенного союза (ТР ТС 022/2011).
Из таблицы 4.7 отметим, что профитроли на цельносмолотой овсяной муке, по содержанию белка уступают контрольному образцу из пшеничной муки на 7,8%.
По содержанию жиров контрольный образец уступает профитролям на овсяной муке на 7,1%. В изделиях на овсяной муке в состав липидов входят эссенциальные жирные кислоты, что повышает биологическую ценность самих изделий, по сравнению с контрольным образцом.
По содержанию углеводов заварные изделия, выпеченные с использованием цельносмолотой овсяной муки, уступают образцу на пшеничной муке на 29,5%.
Энергетическая ценность изделий на овсяной муке меньше энергетической ценности образца из пшеничной муки на 5,5%.
Расчет пищевой и энергетической ценности начинок представлен в таблице 4.8. Для мучных кондитерских изделий с начинками и без начинок характерна высокая энергетическая ценность.
Из таблицы 4.8 можно выделить два образца наименее калорийных – Профитроли с яблочным пюре с заменителем сахара milford suss (190ккал/800кДж) и профитроли с закусочной начинкой (190ккал/800кДж).
Изделия из заварного теста относятся к категории пищевых продуктов функционального назначения (таблица 4.9).
Таким образом, новые заварные изделия отличаются высокой пищевой ценностью по сравнению с контрольным образцом. В качестве функциональных ингредиентов в овсяных изделиях выступают ненасыщенные жирные кислоты и пищевые волокна.