Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1 Классификация диетических хлебобулочных изделий 10
1.2 Пищевые волокна. Основные термины и определения 12
1.3 Применение инулина в пищевой промышленности 21
Заключение по обзору литературы 31
2. Экспериментальная часть 33
2.1 Сырье и материалы, применявшиеся при проведении исследований 35
2.2 Методы исследований, применявшиеся в работе 35
2.2.1 Методы исследования свойств сырья 36
2.2.2 Способы приготовления теста и хлеба 37
2.23 Методы оценки свойств теста 42
2.2.4 Методы оценки качества хлеба 43
2.2.5 Специальные методы исследований
2.2.5.1 Метод дифференциальной сканирующей калориметрии 45
2.2.5.2 Определение содержания инулина методом спектрофотометрии... 50
2.2.5.3 Определение содержания растворимых и нерастворимых пищевых волокон ферментно-гравиметрическим методом 51
2.2.5.4 Метод определения гранулометрического состава порошкообразных сред 53
2.2.6 Методы математической обработки экспериментальных данных 54
2.3 Характеристика сырья 55
2.4 Результаты исследования и их анализ... 57
2.4.1 Научное обоснование использования инулина в пищевой промышленности 57
2.4.1.1 Исследование инулинсодержащего сырья методом дифференциальной сканирующей калориметрии
Заключение по разделу 2.4.1 69
2.4.2 Разработка инструментального метода оценки технологических свойств инулина 69
2.4.3 Влияние дозировки инулинсодержащего сырья на свойства теста из пшеничной муки 72
Заключение по разделу 2.4.3 76
2.4.4 Влияние инулинсодержащего сырья на процесс замеса пшеничного теста и качество хлебобулочных изделий 76
2.4.5 Влияние влажности пшеничного теста на его реологические свойства и качество хлебобулочных изделий с инулинсодержащим сырьем 81
Заключение по разделу
2.4.6 Влияние инулинсодержащего сырья на процесс брожения пшеничного теста 97
2.4.7 Исследование влияния способавнесения инулинсодержащего сырья на реологические свойства теста и качество хлебобулочных изделий из пшеничной муки высшего сорта 99
2.4.7.1 Влияние способа внесения инулинсодержащего сырья на качество хлебобулочных изделий 99
2.4.7.2 Влияние способа внесения инулинсодержащего сырья на реологические свойства теста
2.4.7.3 Влияние инулинсодержащего сырья на свойства мякиша хлебобулочных изделий при хранении 114
Заключение по разделу 2.4.7 120
2.4.8 Влияние способа внесения инулинсодержащего сырья на содержание пищевых волокон в хлебобулочных изделиях 121
2.4.9 Промышленная апробация 122
2.4.10 Разработка технологических решений производства хлебобулочных изделий с добавлением инулинсодержащего сырья 123
3. Выводы 125
4. Список использованной литературы
- Пищевые волокна. Основные термины и определения
- Методы исследования свойств сырья
- Исследование инулинсодержащего сырья методом дифференциальной сканирующей калориметрии
- Исследование влияния способавнесения инулинсодержащего сырья на реологические свойства теста и качество хлебобулочных изделий из пшеничной муки высшего сорта
Пищевые волокна. Основные термины и определения
Термин «пищевое волокно» впервые ввел ученый Hipsley Е.Н. в 1953 году как определение для неперевариваемых компонентов, входящих в состав клеточных стенок растений [114].
В 1971 г. D.P.Burkitt высказал гипотезу о существовании связи таких заболеваний, как дивертикулез, аппендицит и рак толстой кишки, с низким потреблением растительных волокон. В 1972 г. H.Trowell применил термин "пищевые волокна" при описании обнаруженной им закономерной зависимости частоты встречаемости ожирения, сахарного диабета и сердечно-сосудистых болезней от потребления этих волокон. Этим же ученым было дано определение пищевых волокон, с точки зрения физиологии, как части пищи, которая произошла от клеточных стенок растений и которая очень плохо переваривается в организме человека. Он также давал другое определение - "это скелетные остатки растительных клеток, которые устойчивы к гидролизу ферментами человека" и считал, что пищевые волокна - это синоним неусваиваемых углеводов. Таким образом, в определении одного термина отражаются, по крайней мере, три критерия -ботанический, физиологический и химический [66,91,142].
На сегодняшний день в большей степени используется определение принятое техническим комитетом американской ассоциации химиков-зерновиков (American Association of Cereal Chemists - AACC) в 2000 г.: "Пищевое волокно - это съедобные части растений или аналогичные углеводы, устойчивые к перевариванию и адсорбции.в тонком кишечнике человека, полностью или частично ферментируемые в толстом кишечнике. Пищевые волокна включают полисахариды, олигосахариды, лигнин и ассоциированные растительные вещества. Пищевые волокна проявляют положительные физиологические эффекты: слабительный эффект, и/или уменьшение содержания холестерина и/или глюкозы в крови" [139].
Существуют различные принципы классификации пищевых волокон каждая из которых отражает различные их свойства: - гомогенные (однородные), состоящие из однородных высокомолекулярных веществ (целлюлоза, пектины, маннаны, арабинаны, лигнин, альгиновая кислота и др.); - гетерогенные (неоднородные), включающие биополимеры нескольких видов (холоцеллюлоза, целлюлозолигнины, гемицеллюлозо-целлюлозо-лигнин, белково-полисахаридные комплексы, белково-полисахаридо-лигнинные комплексы и др.). по способности растворяться в воде: водорастворимые (пектины, альгиновая кислота, камеди, слизи, арабиноксиланы, инулин, олигофруктоза и др.); - малорастворимые и нерастворимые (целлюлоза, лигнин, целлюлозо лигниновые комплексы, ряд гемицеллюлоз и др.). по водоудерживающей способности: - сильноводосвязывающие - более 8 г воды на 1 г пищевых волокон (пищевые волокна жома сахарной свеклы, виноградной лозы, клевера и др.); - средневодосвязывающие - 2-8 г воды на 1 г пищевых волокон (пшеничные отруби, пищевые волокна люцерны, виноградных выжимок и др.); - слабоводосвязывающие - до 2 г воды на 1 г пищевых волокон (пищевые волокна жмыха виноградных семян, целлюлоза жмыха виноградных семян и
Отсутствие единой классификации, а также общепринятых терминов и определений создают определенные трудности при обосновании использования инулина. На основании анализа научной литературы нами разработана обобщенная классификационная схема основных представителей пищевых волокон, основанная на их происхождении (рис. 1.1).
Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. К олиго- и полисахаридам относятся соединения, молекулы которых построены из остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями.
Методы исследования свойств сырья
Термический анализ (калориметрия) - метод исследования физико-химических процессов, основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры. Этот метод позволяет фиксировать так называемые кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае какого-либо фазового превращения первого рода в веществе (или смеси веществ) происходит выделение или поглощение теплоты и на кривой (термограмме) появляются площадка или изломы.
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) - один из методов термического анализа, при котором измеряется разность тепловых потоков между образцом и эталоном.
Дифференциальный сканирующий микрокалориметр измеряет разницу тепловых мощностей (dP) , затрачиваемых на прогрев исследуемого и эталонного образцов с заданной скоростью. Результатом измерения является термограмма - кривая зависимости dP от температуры. Прибор имеет две калориметрические ячейки (рис. 2.2) - в одной находится исследуемый образец (S), в другую, называемую ячейкой сравнения (R), помещают эталон. Ячейки снабжены нагревателями и датчиками температуры. В процессе измерения в нагреватели обеих ячеек подается одинаковая тепловая мощность прогрева, величина которой задается системой регулирования так, что температура эталонной ячейки изменяется в заданных пределах с заданной скоростью. Эту функцию выполняет система сканирования. Одновременно другая система - система измерения, подачей дополнительной мощности в одну из ячеек, все время поддерживает равными температуры обеих ячеек. Величина этой дополнительной мощности и есть dP [6].
Информацию содержит величина dP, полученная как в процессе сканирования - режимы прогрев или охлаждение, при поддержании постоянной температуры - режим изотерма, а также скачек мощности dP при переходе от сканирования к изотерме. Начальной температурой - Тнач -является температура ячеек в момент начала прогрева или охлаждения или, что тоже самое, температура соответствующей изотермы. Верхней (Тверх) или нижней (Тниж) температурами являются последние значения этих параметров, полученные от прибора. Прибор имеет также служебный режим работы - исходное. Это его выход в начальное состояние при включении прибора, в начале сканирования термограммы после загрузки образцов, переход в режим для загрузки образцов или выход из нештатных ситуаций. Исследование проводили с помощью дифференциального сканирующего микрокалориметра ДСМ Юм, производства ИБП РАН.
Подготовка и отбор пробы Массы контейнеров, используемых в исследовании должны быть равны между собой с точностью до 0,10 мг. Пустой контейнер с крышкой взвешивают на весах с точностью не менее 0,1 мг и тарируют весы. После этого в контейнер помещают исследуемую пробу и снова взвешивают. Во избежание загрязнения контейнеров и проб не следует брать их руками без защитных перчаток, либо следует пользоваться пинцетом. Измерение кривых ДСК Подготовленные к измерениям контейнеры (пустой эталонный и контейнер с исследуемой пробой) помещают в измерительную камеру (рис. 2.3). С помощью программного обеспечения калориметра создается новый файл, который будет содержать всю информацию об измерении. Составляется температурная программа измерений. В указанном файле задается вес исследуемой пробы, выбираются файлы калибровки по температуре и чувствительности. Можно также комбинировать различные температурные сегменты (изотермические, динамические, модулированные). При создании программы измерений следует также задать скорости подачи защитного газа (газ, защищающий измерительную часть прибора от коррозии и загрязнения в процессе измерений) и продувочного газа (газ, создающий атмосферу измерительной камеры и выводящий из камеры продукты испарения и разложения). После написания программы следует сохранить созданный файл и запустить программу измерений. По окончании измерения все результаты записываются в ранее сохраненный файл. Для того, чтобы извлечь пробу из измерительной камеры следует дождаться ее охлаждения до температуры меньшей 100С. По окончании измерений следует закрыть измерительную камеру, отключить подачу газа, закрыть кран редуктора.
Для проведения калибровки прибора используется набор стандартов с точно известными температурами и теплотами фазовых превращений. Для этих образцов измеряются кривые ДСК, и полученные в процессе измерений температуры и теплоты аномалий записываются в так называемые файлы калибровки, где они приводятся в соответствие со стандартными значениями и строится калибровочная кривая. Калибровку проводят в тех же условиях и с тем же материалом контейнеров, что при и измерении образца. Для калибровки необходимо использовать не менее трех образцов - стандартов. Обработка экспериментальных результатов
При наличии в исследуемом образце каких-либо процессов, или переходов первого рода, связанных с поглощением или выделением тепла (плавление, структурный фазовый переход, испарение и др.), на кривых ДСК проявляются характерные пики и аномалии, исследование которых дает информацию о процессах, протекающих в образце. Различают экзотермические (выделение тепла) и эндотермические (поглощение тепла) аномалии ДСК (рис. 2.4).
Исследование инулинсодержащего сырья методом дифференциальной сканирующей калориметрии
Анализ научно-технической литературы показал, что в настоящее время продукты переработки цикория и топинамбура, содержащие инулин, применяют при производстве хлебобулочных изделий в количествах несопоставимых с суточной нормой. Введение инулина в рецептуру изделий в количестве 4% к массе муки и более приводит к уменьшению удельного объема хлебобулочных изделий и ухудшению показателей их текстуры.
Для установления причины ухудшения качества хлебобулочных изделий исследовали влияние дозировки инулинсодержащего сырья в количестве от 1 до 9% на изменение свойств теста, контролируемых по параметрам фаринограммы и альвеограммы, а также на изменение свойств отмываемой клейковины. Контролем служила проба теста без инулина. Анализ проводили по методикам, приведенным в разделе 2.2.3 [36,79]. Полученные результаты приведены в таблице 2.8.
Установлено, что с увеличением дозировки всех проб исследуемых видов инулинсодержащего сырья в приготовленном тесте снижалось количество сырой клейковины на 1-20% и происходило её укрепление, оцениваемое по общей деформации, которая уменьшалась на 1-36% по сравнению с контролем (таблица 2.8). Изменение свойств отмываемой клейковины, по-видимому, объясняется тем, что инулин, связывая воду, препятствует набуханию и структурированию белков, что приводило к вымыванию их из пшеничной муки вместе с крахмалом и другими компонентами.
Внесение инулина с аморфной молекулярной структурой (Beneo GR) приводило к снижению упругой деформации теста на 5-47%, а добавление инулина с кристаллической структурой (Вепео HP, Fibrulin XL, Вепео НРХ, порошка топинамбура), напротив, приводило к увеличению на 1-67% (таблица 2.9). Это говорит о том, что кристаллический инулин обеспечивает формирование более прочной структуры. И это отразилось на изменении водопоглотительной способности пшеничной муки. При добавлении рецептурных компонентов с кристаллическим инулином водопоглотительная пшеничной муки увеличивалась на 1-5%, а с аморфным инулином - снижалась на 4-12%,. что обусловлено разной степенью полимеризации инулина, содержащегося в исследуемых препаратах и, как следствие, их разной адсорбционной способностью (таблица 2.10).
Таким образом, полученные результаты показали, что внесение рецептурных компонентов, содержащих инулин с кристаллической молекулярной структурой, приводило к улучшению хлебопекарных свойств пшеничной муки, т.е. увеличению её «силы».
Анализ полученных результатов изменения реологических свойств пшеничного теста и свойств сырой клейковины показал их хорошую корреляционную зависимость: уменьшение количества отмываемой клейковины, укрепление клеиковинного каркаса, снижение растяжимости теста, увеличение водопоглотительной способности муки и времени образования теста.
Проведенные исследования показали, что внесение препаратов, содержащих инулин с кристаллической молекулярной структурой, приводило к увеличению водопоглотительной способности муки и упругой деформации теста, при этом наблюдалось уменьшение количества отмываемой клейковины при одновременном увеличении её «силы».
Замес теста является одной из важнейших технологических операций, которая обеспечивает формирование структуры полуфабриката из различных рецептурных ингредиентов с определенными реологическими свойствами. Поэтому знание закономерностей влияния пищевых волокон на протекание операции замеса пшеничного теста имеет основополагающее значение при разработке новых технологий хлебобулочных изделий. При проведении исследований дозировка инулинсодержащего сырья была выбрана таким образом, чтобы в готовом изделии содержание инулина составляло не менее 4г на ЮОг хлеба. При такой дозировке суточная потребность в инулине удовлетворяется более чем на 30% (при минимальной установленной потребности Юг/сутки), а общее содержание пищевых волокон - не менее 6г/100г изделия, что позволяет получить хлебобулочные изделия, обогащенные пищевыми волокнами. Для препаратов Beneo HP, Beneo НРХ, Beneo GR и Fibrillin XL исследуемая дозировка составила 1%, для порошка топинамбура - 9% к массе муки.
При исследовании влияния дозировки инулинсодержащего сырья на изменение параметров замеса пшеничного теста его замешивали с консистенцией 640-650е.Ф. при использовании прибора «Do-Corder СЗ».
Полученные экспериментальные данные показали (рис. 2.17), что при внесении инулинсодержащего сырья характер фаринограммы рецептурного пшеничного теста кардинально изменялся. Процесс гидратации муки при внесении инулинсодержащего сырья заканчивался при значениях консистенции теста в пределах 450е.Ф., что почти на 70% меньше чем у теста без внесения данного вида сырья. Это говорит о том, что содержащийся в сырье инулин проявляет свои дегидратационные свойства по отношению к основным структурным компонентам муки - белкам и крахмалу.
На начальной стадии замеса (I) происходило формирование теста из разрозненных компонентов: муки, воды и рецептурных ингредиентов. Вода, равномерно распространяемая по объему, взаимодействует с мукой с образованием студня гидратированных пентозанов, набуханием клейковинных белков. Формируются реологические свойства теста, что сопровождается увеличением эффективной вязкости тестовой массы, а, следовательно, крутящего момента на валу рабочего органа тестомесильной машины.
Кинетика консистенции пшеничного теста при замесе без инулина (1) и с его внесением (2) Перемешивание компонентов завершается образованием теста в виде однородной вязкой среды. В этом случае тесто имеет непрерывную структуру, представляющую собой сетку сформированной клейковины, в которую вкраплены крахмальные зерна, дрожжевые клетки, капельки свободной воды и т.д. [73]
На втором этапе (II) вначале отмечается некоторое снижение вязкости теста, связанное с уменьшением его плотности, возможно из-за разрушения сформировавшейся структуры теста. Вязкость снижается до определенного предела, после которого снова начинает возрастать. Возможно, это происходит из-за образования инулином структуры геля, который вносит свой вклад в формирование структуры теста при замесе и обусловливает характер его кинетикой кривой. Так же инулин обладает определенными гидрофильными свойствами, что предполагает наличие конкурентной борьбы со структурными компонентами муки за свободную влагу її взаимодействие с ними — белками, крахмалом. Завершение второго этапа соответствует достижению максимального значения консистенции пшеничного теста [73].
При дальнейшем замесе (III) изменение реологических свойств теста связано с действием ферментативных процессов, увеличением температуры теста, прочих факторов. Воздействие на клейковинные белки уменьшает механическую прочность клейковинных пленок, что приводит к разжижению и слипанию теста. Увеличивается количество веществ, способных переходить в жидкую фазу теста. Эта стадия соответствует чрезмерному замесу теста.
Для установления рациональной продолжительности замеса теста с инулином проводили выпечку хлебобулочных изделий из теста приготовленного с разной длительностью замеса - это 2 мин (точка А); - 8 мин (точка Б); - \6мин (точка В); — 30 мин (точка Г).
Исследование влияния способавнесения инулинсодержащего сырья на реологические свойства теста и качество хлебобулочных изделий из пшеничной муки высшего сорта
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что существенное влияние на степень взаимодействия инулинсодержащего сырья с компонентами муки и качество хлебобулочных изделий оказывает способ внесения их в тесто. Экспериментальные исследования показали, что внесение инулина целесообразно за 30 мин до окончания созревания теста из пшеничной муки.
При данной схеме применения инулина хлебобулочные изделия характеризуются наилучшими органолептическими и физико-химическими показателями качества.
Улучшение качества хлебобулочных изделий, по-видимому, обусловлено следующим. Добавление инулина за 30 мин до окончания созревания теста способствует полноценному набуханию белковых веществ (образованию клейковины), крахмала и протеканию биохимических реакций. При этом вода, не востребованная белковыми веществами и крахмалом, связывается инулином, что стабилизирует консистенцию теста, улучшает его структуру, уменьшает липкость полуфабриката, увеличивает газоудерживающую способность теста. Такое изменение реологических свойств способствует улучшению органолептических и физико-химических показателей качества хлебобулочных изделий.
При традиционном введении инулина в коллоидную систему теста (при замесе) происходит интенсивное связывание воды пищевым волокном, в результате чего для набухания основных структурных компонентов теста -белка (в частности, образования клейковины) и крахмала и для протекания биохимических процессов недостаточно водной фазы. Кроме того, возрастает вязкость теста, что обусловлено спецификой воздействия пищевого волокна на реологические свойства теста, что приводит к уменьшению удельного объема хлебобулочных изделий и ухудшению показателей их текстуры.
Кроме того, внесение части воды и муки вместе с инулином необходимо для получения теста нормальной консистенции, т.е. во избежание быстрого и полного связывания пищевым волокном воды. Происходит набухание белка и крахмала оставшейся части муки, т.е. происходит «перераспределение» влаги. Преимущество связывания воды у пищевого волокна, но для улучшения реологических свойств теста и качества хлеба - преимущество должно быть у белка и крахмала (клейковина и биохимические процессы).
Анализ закономерностей изменения реологических свойств мякиша хлебобулочных изделий в процессе хранения с разными видами инулина показал, что в наименьшей степени эти свойства мякиша хлеба изменялись при внесении инулинсодержащего сырья при созревании теста.
Влияние способа внесения инулинсодержащего сырья на содержание пищевых волокон в хлебобулочных изделиях из пшеничной муки Для подтверждения целесообразности использования инулинсодержащего сырья при производстве хлебобулочных изделий проводили исследование по влиянию способа внесения изучаемых порошков на общее содержание пищевых волокон в полученных хлебобулочных изделиях при реализации двух способов внесения инулинсодержащего сырья, т.е. при одно - и двухстадийном замесах.
Содержание пищевых волокон в хлебобулочных изделиях определяли ферментно-гравиметрическим методом, согласно ГОСТР 54014-2010. Содержание пищевых волокон определяли по методике Результаты исследований представлены в табл. 2.40 Содержание пищевых волокон в ЮОг хлебобулочных изделий в зависимости от способа внесения инулинсодержащего сырья
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что способ внесения инулинсодержащего сырья в тесто не влияет на содержание пищевых волокон в хлебобулочных изделиях. Это доказывает предположение о том, что в процессе тестоведения сбраживаются лишь вносимые с порошком моно- и дисахариды, при этом связь Р-(2— 1) между молекулами фруктозы не подвергается в тесте кислотному или ферментативному гидролизу. Разница в содержании пищевых волокон в хлебобулочных изделиях обусловлена содержанием инулина в исследуемых порошках, а также их структурой. Beneo GR имел аморфную структуру, которая разрушалась при температуре свыше 120С. Таким образом, в процессе выпечки часть инулина, находящегося в корковой области терялась.
Полученные результаты дают основание предполагать, что при употреблении ЮОг пшеничного хлеба с инулином суточная потребность в пищевых волокнах удовлетворяется на 30-35% (при рекомендуемой суточной потребности в 20г), в инулине - на 20-24% (при рекомендуемой суточной потребности в 10-20г) [21,32,52,57,69].
