CC BY
36
УДК [664.654:532.517.2].001.573
Профессор Е.И. Пономарева, аспирант В.Ю. Кавешников, студентка Н.М. Застрогина
(Воронеж. гос. ун. инж. техн.) кафедра технологии хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств тел. (473) 255-38-51
Прогнозирование пищевой ценности хлебобулочных изделий на основе математического моделирования биохимических превращений
Исследования посвящены определению зависимости изменения относительного содержания компонентов в химическом составе хлеба из муки цельносмолотого зерна пшеницы при выпечке и прогнозированию пищевой ценности хлебобулочных изделий путем математического моделирования биохимических превращений. Полученная модель представляет собой инвариантную композицию, учитывающую скорость биохимических реакций при выпечке хлебобулочных изделий, и позволяющую виртуально проводить эксперименты по разработке новых видов хлеба для различных категорий населения, в том числе для спортсменов. Предлагаемый способ моделирования биохимических превращений на стадии термообработки позволяет прогнозировать пищевую ценность хлебобулочных изделий, не затрачивая средств на сырье и большой объем эксперимента, что обеспечит возможность экономии материально-сырьевых ресурсов на стадии разработки новых видов хлебобулочных изделий и повышения эффективности производства.
Researches are devoted to identifying changes in the chemical composition of whole-grain wheat bread during baking and to forecasting of food value of bakery products by mathematical modeling of biochemical transformations. The received model represents the invariant composition, considering speed of biochemical reactions at a batch of bakery products, and allowing conduct virtual experiments to develop new types of bread for various categories of the population, including athletes. The offered way of modeling of biochemical transformations at a stage of heat treatment allows to predict food value of bakery products, without spending funds for raw materials and large volume of experiment that will provide possibility of economy of material resources at a stage of development of new types of bakery products and possibility of production efficiency increase.
Ключевые слова: пищевая ценность, хлебобулочные изделия, математическая модель, выпечка.
Разработка функциональных продуктов питания нового поколения является инновационным направлением в пищевой промышленности, имеющим чрезвычайно важное практическое значение и социальную эффективность. Особое значение при аналитическом проектировании и конструировании новых видов продуктов отводится показателям пищевой, энергетической и биологической ценности, по которым определяется степень соответствия продукта физиологическим нормам потребности организма. В связи с этим прогнозирование биологической и пищевой ценности готовой продукции является актуальной задачей [1].
При брожении хлебопекарного теста происходит повышение активной кислотности полуфабриката и выделение глютатиона дрожжевыми клетками, в результате происходят изменения в белковом и углеводном комплексах.
© Пономарева Е.И., Кавешников В.Ю., Застрогина Н.М., 2013
Спиртовое брожение теста оказывает значительное влияние на его белковую фракцию, особенно если одновременно протекает и молочнокислое брожение. Повышается набу-хаемость и растворимость клейковинных белков, в первую очередь глиадина. Происходит деполимеризация макромолекул белка и гидролиз пептидных связей под воздействием протеолитических ферментов. Содержание азотистых веществ, не осаждаемых трихлорук-сусной кислотой, т.е. небелковых соединений, изменяется в процессе брожения незначительно, что свидетельствует об отсутствии глубокого распада белка. Происходят изменения содержания свободных аминокислот, которые участвуют в дальнейшем в реакции меланои-динообразования при выпечке хлеба.
Сбраживание теста тем или иным способом требует расхода углеводов, превращающихся, в конечном счете, в углекислый газ, этиловый спирт и незначительное количество органических кислот.
Во время брожения глюкоза и фруктоза в тесте практически отсутствуют, а содержание мальтозы повышается. При дальнейшем брожении количество мальтозы уменьшается, при этом, однако, не обнаруживается и накопление глюкозы; глюкоза, очевидно, потребляется дрожжами по мере образования. Сопоставление количества крахмала в тесте в течение брожения показывает, что оно остается практически на одном уровне. Это свидетельствует о том, что амилолиз в период брожения протекает в незначительном объеме, а начальный прирост мальтозы происходит в результате гидролиза уже находящихся в муке и образовавшихся в период замеса продуктов деполимеризации крахмала. Также в период брожения происходит гидролиз растворимых и нерастворимых фракций пентозанов [2].
При выпечке под действием высоких температур происходят уже глубокие изменения в углеводных, белковых и жировых комплексах теста.
Целью данного исследования было определение зависимости изменения относительного содержания компонентов биохимического состава хлеба из муки цельносмолото-го зерна пшеницы при выпечке и прогнозирование пищевой ценности хлебобулочных изделий путем математического моделирования биохимических превращений.
Схема сопряженных превращений в хлебе при выпечке формализована в виде, представленном на рис. 1. Липид-белковый ком-
плекс ЛБК распадается на жиры Ж, жирные кислоты ЖК, глицерин Гц и белки Б (протеины), которые в свою очередь распадаются на пептиды Пд и аминокислоты А, участвующие в образовании меланоидинов. Липидно-углеводный комплекс ЛУК распадается также на жиры и углеводную составляющую: усвояемые и неусвояемые сахара. Гидролиз крахмала Кр проходит по обычной схеме: декстрины (а -Д и в -Д) - мальтоза (М) - глюкоза (Г). Неусвояемые сахара распадаются на целлюлозу Ц и пентозаны Пз, которые в свою очередь разлагаются на ксилозу Кс и арабинозу Ар. Продукты распада усвояемых сахаров УУ: олигосахариды ОС и моносахариды МС также участвуют в реакции мела-ноидинообразования.
Тесто готовили из муки цельно-смолотого зерна пшеницы с добавлением порошков из подсолнечного жмыха и яичной скорлупы. После брожения его ормовали на тестовые заготовки с одинаковой масссой (250 г). Было получено ри образца, которые выпекали при разной температуре: первый -при 210 °С, второй - 220 °С, третий - 230 °С. Через два часа после выпечки хлеб взвешивали и определяли скорость изменения его массы в процессе выпекания. Полученные данные представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Скорость изменения массы хлеба в процессе выпечки
Показатели Зичение покштгля в образца!
1 2 3
(Асыбепшдо выпечки, г 23942 23.942 23.942
\6cca бепшшкпе шпечп, г 19.73 19.63
Температура выписи. "С 210 220 230
Прощжжигешопь выписи, шн 40 35 30
Скорость шекния массы 5гли в небе, г 'мин 0.1138 0.1139 0.1437
Следующим этапом исследования явился расчет скорости изменения содержания основных нутриентов изделия в процессе выпечки. Расчеты проводили на основе химического состава рецептурных компонентов и хлеба. В качестве примера приведены данные по изменению скорости содержания белков, представленных в табл. 2.
Показатель Значение показателя б образцах
1 2 3
Температура вылечи. "С 210 220 230
Продолжит ели ость нылечки. мин 40 35 30
Начальная ыэсса тестовой заготовки. г 2:0 2:0 2:0
\bcca хлеба, г 220.6 227.4 22: .6
Скорость изменения массы клей, г мин 0.63 0.6: 0.31
ВестникВТУИЖ №1, 2011
Рис. 1. Модельная схема сопряженных превращений в хлебе при выпечке
Т а б л и ц а 2
Скорость изменения содержания белков в хлебе
По данным результатам, применяя метод наименьших квадратов, получена константа скорости химической реакции, протекающей при выпечке для белков:
к = а •тп •
(1)
где к - константа скорости химической реакции; а - коэффициент; т - время выпечки, мин; г - температура выпечки, °С; п и т - коэффициенты, показывающие зависимость между константой скорости химической реакции и временем выпечки и температурой соответственно.
Прологарифмируем данное выражение:
1п к = 1п а + п • 1п т + т • 1п г.
(2)
Вводим линеаризующую замену данных:
К = 1п к ; 6 = 1п Т ; Т = 1п Г ;
Ь0 = 1п а ; Ь1 = п ; Ь2
т.
После замены первоначальное выражение (1) принимает вид:
¡Иё: Ж1
Ж1 К 0
Б; -К 1)
К = Ь0 + Ь1 • 6 + Ь2 • Т . (3)
Для дальнейшего решения составим вспомогательную табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Числовые значения десятичных логарифмов константы скорости химической реакции, времени выпечки и температуры
Дклшчшй
Консгат лсгарф< Дкяшчвьш Днэютпш
Ко СЕОрКШ Вран Ташерюура пгастанты логарифм логарифм
ишнчеств шпечшг шлею! СЕ0р«т вреиевв тем пера
рами 4 ШННКНШ решш К аыпгчшв выпечки 1
1 0.11И 40 210 -21: 3.69
2 0.1139 220 -21: 3.56 139
3 0.1431 56 230 -1.3- 3.40 144
Для определения коэффициентов Ь0, Ь1,
Ь2 составим и решим систему нормальных уравнений:
X У = п • Ь0 + Ь1 •Х Х'1 + Ь2 •Х Х2, X (У' • ХИ ) = Ь0 X ХИ +Ь 1 X + Ь2 X ^ • Х2,- (4)
X (У ' • Х2< ) = Ь0 •X Х2/ + Ь1 X Х1 • Х2< + Ь2 •X Х22
В результате исходное уравнение (1) будет иметь вид:
У = 0 ,01 7 •т"0'52 • г °'71, (5)
Следуя принципу математической модели, представим реакцию разложения в виде системы дифференциальных уравнений. Матричная форма данного уравнения приведена в табл. 4.
Т а б л и ц а 4 Матричная форма реакции разложения
На основе всего вышеперечисленного была составлена система дифференциальных уравнений:
^ = кб • Уб = 0,017 т-°,52 • г°,71 • Уб , dт
Уб (0) = У б. (6)
Решив данную систему с помощью интегрирования левых и правых частей уравнения, построили график зависимости изменения относительного содержания белка при выпечке от относительного времени.
¥б г!у т
\ ^ = 0,017 • г °,71 ]У0'52 dт;
у0 ¥б 0
0
1пУб - 1пУ° = 0,035т0'48 • г0'71;
1п = 0,035 тМ8г0'71;
0
б
А А „0,48 .0,71
у _ у 0 0,035т ' •г • .
бб
Уб° = 23,942.
Аналогично были получены дифференциальные уравнения и построены графики для изменения концентрации жиров, углеводов (моносахаридов), крахмала, пищевых волокон (целлюлозы) и жирных кислот в процессе выпечки (Рис. 2 - 7).
30 35
Продолжительность вы печки, мин
Рис. 2. Изменение относительного содержания белка в хлебе при выпечке
£
II
£ щ
| =г
с
о 115
у, ■:
■3 30 И 41
Продолжительность Еыпечки, мин
Рис. 6. Изменение относительного содержания пищевых волокон (целлюлозы) в хлебе при выпечке
П рэджиггпьюсгь в ьпи ки. н т
Рис. 3. Изменение относительного содержания жиров в хлебе при выпечке
Прцданигаъизсгь бы печки,им
Рис. 4. Изменение относительного содержания углеводов (моносахаридов) в хлебе при выпечке
ПродогШ'Яепьность в ы печки, мин
Рис. 5. Изменение относительного содержания крахмала в хлебе при выпечке
15
I
- р
га о
т >!
Ц. Л Ц, 10
1 п
Ц -Г
к
о!---
3 -К 35 40
Гроролжтгагьносгь вытки, мт
Рис. 7. Изменение относительного содержания жирных кислот в хлебе при выпечке
Белково-протеиназный комплекс тестовой заготовки в процессе выпечки претерпевает ряд изменений. Начиная с 70 °С, белки подвергаются термической денатурации. Этот процесс значительно повышает атакуемость белков протеолитическими ферментами, однако количество водорастворимых
азотсодержащих веществ в результате выпечки снижается на 50-70 %. Это снижение объясняется расходом продуктов протеолиза на меланоидинообразование.
Увеличение концентрации содержания белков в процессе выпечки объясняется тем, что, по-видимому, метод дезинтеграционно-волнового помола оказывает положительное влияние на содержание белков в химическом составе хлеба.
В процессе выпечки концентрация жиров уменьшается, так как они катализируют полимеризацию белков, тормозят процесс клейстеризации крахмала и за счет их распада увеличивается содержание жирных кислот.
В тестовой заготовке происходит частичный гидролиз высокомолекулярных пен-тозанов, превращающихся в водорастворимые, относительно низкомолекулярные пен-тозаны. Таким образом, в процессе выпечки
хлеба резко увеличивается количество водорастворимых углеводов, которое обусловливает увеличение общего содержания в хлебе водорастворимых веществ.
Амилолитические ферменты муки, находящиеся в активном состоянии, гидролизуют крахмал, при этом с увеличением температуры активность их резко возрастает. В результате клейстеризации крахмал во много раз легче гидролизуется как а -, так и в -амилазами, поэтому массовая доля крахмала в тестовой заготовке при выпечке снижается. В процессе выпечки, при 170 °С, также происходит кислотный гидролиз целлюлозы, приводящий к образованию глюкозы. Увеличение содержания пищевых волокон так же, по-видимому, можно объяснить влиянием дезинтеграционно-волнового помола.
Таким образом, в результате проведенного анализа микрокинетических превращений при выпечке хлеба получена математическая модель изменения биохимического состава растительного сырья и перераспределения его в готовой продукции. Модель представляет собой инвариантную композицию, учитывающую скорость биохимических реакций при выпечке хлебобулочных изделий, и позволяющую виртуально проводить эксперименты по разработке новых видов хлеба для различных категорий населения. Предлагаемый способ верификации биохимических превращений на стадии термообработки позволяет прогнозировать пищевую ценность хлебобулочных изделий, не затрачивая средств на сырье
и большой объем эксперимента, что обеспечит возможность экономии материально-сырьевых ресурсов на стадии разработки новых видов хлебобулочных изделий и повышения эффективности производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брехов, А. Ф. Прогнозирование биологической и пищевой ценности готовой продукции при экструзионной обработке растительного сырья [Текст] / А. Ф. Брехов, В. И. Ряжских // Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2005. - № 3. - С. 38-42.
2 Ауэрман, Л. Я. Технология хлебопекарного производства [Текст]: учебник / Л. Я. Ауэрман. - 9-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Профессия, 2005. - 416 с.
REFERENCES
1 Brekhov, A. F. Forecasting biological and food value of finished goods at ekstruzionny processing of vegetative raw materials of [Text] / A. F. Brekhov, V. I. Ryazhskikh // Storage and agricultural raw materials processing. - 2005. -№3. - Page 38-42.
2 Auerman, L. Ya. Technolog of baking production [Text]: textbook / L. Ya. Auerman. -9th prod., reslave. and additional - SPb.: Profession, 2005. - 416 p.
