Функции пищевых волокон в формировании физико-химических свойств и структуры экструдированных продуктов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

вания энергетического потенциала теплоносителя вследствие применения замкнутого цикла использования теплоносителя.

Замкнутый цикл использования теплоносителя в схеме достигается за счет применения для варки крупы вторичного пара после сушки, подогрева этим паром воды, распыливаемой над слоем крупы в процессе варки, направления после варки крупы неиспользованного насыщенного пара на стадию ГТО для нагрева воды, а также рециркуляции теплоносителя при сушке продукта. Это позволяет сэкономить на стадиях ГТО и варки при переработке 1 т исходной рисовой крупы в крупу, не требующую варки, около 200 кг пара.

Таким образом, предложенная технологическая схема производства крупы, не требующей варки, предусматривающая промежуточное плющение продукта, характеризуется повышенной степенью использования эксергии энергетических потоков по сравнению с известными схемами

производства при наименьших потерях энергии

теплоносителя в технологических процессах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ш а р г у т Я., Петела Р. Эксергкя. — М.: Энергия. 1968. — 278 с.

2. Г и н з 6 у р г А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая пром-сть, 1973. — 528 с.

3. К р е т о в И. Т., Калашников Г. В., Кравченко В. М., О с т р и к о в А. Н. Эксергетический анализ производства крупы // Пищевая пром-сть. — 1989. — № 2. — С. 30—32.

4. Калашников Г. В. Совершенствование процесса гидротермической обработки и варки круп с использованием перегретого пара атмосферного давления: Дис. ... канд. техн. наук. — Воронеж, 1991. — 249 с.

Кафедра технической механккя Кафедра промышленной энергетики

Поступила 06.05.92

664.696:002.612

ФУНКЦИИ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН В ФОРМИРОВАНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

Л.Г ВИННИКОВА

Одесский технологический институт пищевой промышленности им. М. В. Ломоносова

Вопросы совершенствования структуры питания и профилактики заболеваний, связанных с недостаточным потреблением пищевых волокон ПВ, стоят сейчас весьма остро. Этим обусловлен бурный рост производства продуктов с включением ПВ, в том числе полученных методом термопластической экструзии.

Несмотря на всю перспективность этого направления, оно является малоизученным. Можно сказать, что практические достижения в этой области существенно опережают уровень теоретических представлений о сущности биохимических и физико-химических процессов, происходящих в крахмалсодержащем сырье под влиянием ПВ в условиях реакций термоэкструзии.

Целью работы было выяснение степени воздействия ПВ на качественные показатели экстру-датов и структурообразование, а также расширение представлений о механизме действия ПВ на процесс экструзии.

Исследования проводили на модельных системах на основе крахмалсодержащего сырья — кукурузной муки с массовой долей ПВ 0—15%.

В качестве источника ПВ использовали концентрат волокон, полученный из пшеничных отрубей методом кислотного гидролиза (разработка ОТИПП). Он представляет собой комплекс биополимеров, состоящий преимущественно из нерастворимых полисахаридов и лигнина.

Испытания проводили в двухшнековом экструдере «АРУ Ве1кег» при следующих параметрах экструзии: влажность экструдируемой смеси — 16%; температура в последней зоне экструдера — 160° С; частота вращения шнеков — 6,7 с'1 ; подача смеси — 46 кг/ч.

Экспериментальные данные отрабатывали на ПЭВМ типа 1ВМ РС АТС. Содержание влаги,

белка, жира определяли стандартными методами, гемицеллюлоз, целлюлозы, лигнина — методом [1], амилозу и амилопектин — калориметрическим методом [2].

Физико-химические свойства экструдатов определяли с помощью представленных ниже методов: объемный вес — взвешиванием; длину и диаметр — как средние 25 образцов продукта, измеренных микрометром; индекс радиального растяжения — с использованием отношения между диаметрами экструдата и матрицы (йм = 4 мм).

Средний диаметр газовых ячеек, количество их на единицу площади и количественное распределение по размерам устанавливали не менее чем в 30 поперечных срезах с помощью компьютизи-рованной системы приборов «Ляйц Тас Плюс». Исследование механических характеристик экструдированных продуктов проводили на универсальной испытательной машине *1п51гоп-1122» путем пенетрации цилиндрического индентора {ёи =1,61 мм) в толщу изучаемых образцов при скорости движения ленты Ул = 50 мм/мин и глубине пенетрации И = 5‘ Ю'3 м.

Микроструктуру экструдатов исследовали методом электронного сканирования на растровом электронном микроскопе 5 = 2500. Образцы после размалывания в порошок и закрепления на смотровом стекле покрывали золотом. Поверхности исследовали при 2000-разовом увеличении.

Растворимость и водоудерживающую способность определяли, используя метод (3].

Анализируя основные показатели химического состава сырья (табл. 1), можно отметить, что внесение ПВ вызывает незначительное увеличение массовой доли белка и жира, связанное с достаточно высоким содержанием этих компонентов в ПВ.

іЧ-ЗШ.

Ь.11

бы

жк;[

иы

Ч

ПНГІ

ОПшю

Щ

Й)

игу/ ШкЯ IX

0'

Д.4МШ

у^тені

сьрАг

Ж>1Б!П

ивь pH, ч; гфН у;

СИ.

СПҐІҐ-П?

П<

рмдуді

МЛІМ Г

ваЛМ:

П:

Ироду,

Е12гНСН|

п]тд!

ИЫЧ ы

детгї.ш.

“ г.1 Н_1-^ЫгЮ >

Зй сче і'рТЇНиД

Весок

II НС Г/ІІ П

Ус;

харвдо

ссдера

•грудні С

Ой

ва я Ггья

ИИ! НІН С.

ж'е '-ІІ усг£на

Таблица I

Показатели Весовое соотношение кукурузной крупы и ПВ, %

100/0 95/5 91/9 85/15

Массовая доля, %

влага ±0,8 8,3 6,8 7,0 7.1

белок ±0,5 8.4 8,9 9,7 11,2

жир ±0,4 0,4 0,6 0,6 0.8

целлюлоза ±0,4 0,7 1.6 2,0 3,0

гемицеллюлоза ±0,4 0,4 0,9 1.2 1.5

лигнин ±0,4 0,3 1,7 2.7 4,2

Общее содержание нерастворимых ПВ 1,4 4,2 5.7 8,7

pH ±0,05 6,31 5,52 5,78 6,0

^СТДО|)ИМОСТЬ, 57,0 60,1 61,2 66,0

водоудерживающая способность, Г/Г ±0,4 9,5 8,7 10,6 12,1

Общее содержание нерастворимых ПВ и их отдельных фракций, как и следовало ожидать, возрастает пропорционально концентрации вводимого препарата ПВ. Аналогичная зависимость установлена при исследовании функциональных свойств экструдатов — растворимость и водоудерживающая способность повышаются. Внесение ПВ в количестве 5% несколько снижает уровень pH, что связано с низким pH препарата. Однако при увеличении массовой доли ПВ pH повышается, возможно, за счет усиления реакционной способности системы.

Полученные данные свидетельствуют, что в результате физико-химических изменений крахмала под влиянием ПВ увеличивается количество водосвязывающих и растворимых веществ.

Принимая во внимание, что свойства готового продукта в преобладающей степени зависят от изменения молекулярной структуры крахмала в процессе экструзии, представилось целесообразным исследовать влияние ПВ на молекулярную деградацию крахмала, определяемую содержанием амилозы и амилопектина. Для получения более объективных сведений в этом вопросе необходимо было учесть уменьшение массовой доли крахмала за счет внесения ПВ. С этой целью в табл. 2 приводятся расчетные и фактические данные.

Таблица 2

Весовое соотношение кукурузной крупы и ПВ

Массовая доля. % ± 0.2

амилопектин

расчет. ] фактич! | расчет, фактич.

100/0 24,4 24,4 32,6 32,6

95/5 23,18 21,2 30,9 33,0

91/9 22,3 20,0 30,1 32,2

85/15 20,9 19,6 28,1 29,4

Установлено, что введение комплекса полисахаридов даже в небольших количествах в крахмалсодержащее сырье вызывает существенное изменение всех физических характеристик экструдатов.

Объемный вес экструдатов является наиболее важным параметром, описывающим общее растяжение продукта как радиальное, так и продольное. Наилучшее экспандирование и наименьшая усадка отмечаются при введении 4—6% ПВ. По

мере повышения их содержания (9—12%) объемный вес увеличивается, приближаясь к контролю, а в дальнейшем превышает его. Это связано с ухудшением эластических свойств жидкой сырьевой массы, в результате чего уменьшается экспандирование и возможно оседание созданной структуры под собственным весом.

Отношение длины к диаметру для цилиндрических продуктов позволяет сравнить их форму и оценить индексы радиального и продольного экс-пандирования.

Контрольные образцы, обладающие грубой структурой и большими размерами газовых ячеек, имели отношение Дл/Д на уровне 0,6+0,8, т.е. отличались анизотропическим экспандированием с сильным отклонением в радиальном направлении.

При введении ПВ отношение Дл/Д увеличивается более чем в два раза, что свидетельствует об их влиянии на форму экструдированных продуктов. Повышение массовой доли ПВ незначительно изменяет форму, преимущественно за счет сокращения длины экструдатов.

Фильерное вспучивание, ответственное за радиальное смещение при экспандировании, характеризуется индексом радиального растяжения. При исследовании этого показателя установлено, что он уменьшается почти в два раза при внесении ПВ, причем отмечена прямая зависимость между концентрацией волокон и степенью фильерного вспучивания. Это, вероятнее всего, связано с тем, что присутствие некрахмальных полисахаридов снижает растяжимость и свойства удерживания газа материалом стенок ячейки при образовании пузырьков пара на выходе из фильеры. Потеря экспандирования возможна и из-за снижения массовой доли крахмала в жидкой сырьевой массе при введении ПВ.

Внутренняя структура продукта зависит от вязкости жидкой массы, получаемой в экструдере. Грубые структуры связываются с высокой вязкостью, которая в свою очередь зависит от концентрации крахмала и степени его разрушения. Внутреннюю структуру экструдатов с ПВ оценивали по количеству и размерам пор и механическим свойствам их стенок.

На рис. 1 представлена статистическая оценка степени пористости экструдатов: без ПВ —/; с введением ПВ\ 5% —2; 10% —3; 15% —4. Наибольший эффект дает введение даже небольших доз ПВ, в результате чего размер газовых ячеек уменьшается в 3—4 раза, а количество их на единицу площади увеличивается в 6 раз. Как видно из графиков, повышение концентрации ПВ оказывает незначительное влияние на пористость экструдированных продуктов.

Исследование структурно-механических свойств модельных образцов, определяемое напряжением пенетрации, характеризует плотность стенок газовых ячеек. Этот показатель, наряду с пористостью, определяет консистенцию готовых изделий. Напряжение пенетрации в экструдатах с ПВ ниже, чем в контроле, причем наименее плотные стенки газовых ячеек формируются при введении 5% волокон. Данные инструментальных исследований структуры хорошо коррелиру-ются с органолептическими свойствами экструдатов. Пищевые волокна в определенных количествах (5—12%) положительно влияют на консистенцию готовых изделий, делая ее более нежной и хрупкой.

%

40

3®

20

ТТГН1 гЫ1гь

%

си. ,.гд-------------------------п.

20

*0

Исследование микроструктуры экструдатов показало, что если для контрольных образцов характерна сплошная непрерывная фаза (рис. 2а), то в системах с ПВ отчетливо видна волокнистая структура, вытянутая в направлении потока вяз кой массы в экструдере (рис. 2б). Включений частиц с характерной структурой растительного матрикса не обнаружено, хотя в поле зрения попадаются более темные по цвету небольшие участки поверхности.

Обобщение и анализ экспериментальных данных позволили расширить теоретические представления о механизме действия нерастворимых форм пищевых волокон в процессе экструзионной сМзаботки крахмалсодержащего сырья и их роли

%

I

49

ач

Рис. I

в формировании качественных характеристик готовых продуктов.

В основе получения экструдатов пористой структуры лежит молекулярная дезорганизация крахмала, который является преобладающим компонентом в экструдированных сухих завтраках. В трансформации крахмала экструзией наиболее важную роль играют подводимые термическая и механическая энергии.

Основной причиной экспериментально доказанных изменений функционально-технологических свойств и структуры экструдатов с включением ПВ является, на наш взгляд, повышение механической энергии. На первом этапе экструзии под влиянием нагрева в присутствии

ШЩШ6

■ ■ шШШ. - . ъшшг : ,

'Ж* # ^ I й •

мЖфё ъ ж £ I / * ж *

/Г <| Н

:: ' к'.ууу у •;

"• •. ./■/ • • ш Ф Я й £

£■ " >-•,,>

Ц£ §рА

» Ж

' V ■■X У

.г ' г

йшщ

нун>

110 VI

и над шзгн

ИИОг

перп ря зь н* не гтэнч

ч.гс:к1

реша

баля|

улс.т(

КЩ |

Г.-!-pH 5 НЗбяй Д.11ММ

Я тк тор ?

да в!

ря гге

ИГ.' СЙ н П-В“| кра у.м

еьил й

С Р

^к^па нам н п орам ван:пё но *

-НКЧ Гй КЁ * рйВДЭ МСЕЫ

в^кио

и

СГРМЙ ни п ВДЭ.ЧЫ

ЦСЛЛТ ЭЛ Й И г

м чкрз ЧТО н;

цес^а

СрЕГСН ке= н I .ILjr.Hr \

11\ ТСрП||.; ГМ .Ч;Н П МI' и .4^ шнг-

Рис. 2а х 1200

Рис. 26 х 1200

воды крахмал теряет свою нативную молекулярную структуру, которая поддерживается в основном водородными связями. В этот период введение природных пищевых волокон, обладающих абразивными свойствами, увеличивает фрик-циональные силы между частицами во время первоначальной компрессии. Кроме того, благодаря высокой удерживающей способности ПВ, вполне вероятна миграция влаги, в результате которой понижается уровень влажности крахмала, возрастает сдвиговое усилие и соответственно механическая энергия. Подводимая энергия оказывает решающее влияние на разрушение первичного баланса молекулярных связей в крахмале. При увеличении ее под воздействием ПВ повышается, как установлено, концентрация амилопектина и, вероятнее всего, увеличивается число молекул с небольшим молекулярным весом. Это подтверждается данными исследования растворимости. Растворимость тесно связана со степенью разрушения первичных и вторичных связей в крахмале и поэтому используется как подходящий индикатор к характеристике структурных изменений в молекуле и супермолекулярных областях крахмала. В связи с тем, что растворимость экструдата растет с уменьшением молекулярного веса, можно сделать заключение об изменении молекулярно-весового распределения экструдированного крахмала в сторону повышения низкомолекулярных фрагментов. Такие крахмалы характеризуются когезионностью и меньшим экспандированием, преимущественно в радиальном направлении, образуя продукты с меньшими порами и более мелкими структурами. Формирование такой структуры в системах ПВ установлено экспериментально. Экструдаты без ПВ отличаются меньшей степенью разрушения в потоке внутри экструдера, в результате чего больше радиально экспандируются, имеют большие размеры пор, утолщенные стенки ячеек и соответственно более глубокую структуру.

В результате сильного механического воздействия разрушаются не только крахмальные зерна, но и матрица ПВ, благодаря чему становится возможным освобождение части макрофибрилл целлюлозы. Этот вывод был сделан на основании электрон но-микроскопического исследования микроструктуры эструдатов. Наиболее вероятно, что на последующем этапе экструзионного процесса фракции ПВ под действием сил сдвига ориентируются вдоль ламинарного потока в шнеке и фильере экструдера и сближаются с молекулами крахмала. В результате термодинамической несовместимости биополимеров и образования ге-терофазной жидкой системы в потоке формируется новая волокнистая структура, что визуально подтверждено снимками, полученными с помощью фотографирования ультраструктуры с дис-

плея электронного сканирующего микроскопа. При охлаждении такой системы происходит сшивание макромолекул и образование протяженных агрегатов. Учитывая повышенную растворимость экструдатов с ПВ, можно полагать, что во взаимодействии преобладают более слабые водородные связи.

На заключительном этапе процесса — формировании пористой структуры и формы продуктов — установленное уменьшение экспандирования в системах, содержащих ПВ, связано с растяжимостью и способностью вязкотекущей массы удерживать пузырьки водяного пара, образующиеся на выходе фильеры. В результате снижения концентрации полимеров крахмала в жидкой сырьевой массе при добавлении ПВ, а также под действием некрахмальных полисахаридов уменьшается механическая прочность стенок ячеек и пористая структура сжимается до тех пор, пока окончательно не стабилизируется.

Безусловно, высказанные предположения нуждаются в детальной проверке, однако изучение механизма воздействия пищевых волокон на молекулярную конформацию сырья и структуро-образование экструдатов создает предпосылки к качественно новому подходу в экструзионной технологии продуктов с повышенным содержанием балластных веществ.

ВЫВОДЫ

1. Введение комплекса нерастворимых полисахаридов существенно влияет на функциональные и физические свойства экструдатов, их макро- и микроструктуру. Химический состав продуктов изменяется незначительно.

2. Сформулированы представления о структурообразующих функциях ПВ в процессе термопластической экструзии.

Показано, что ПВ активно участвуют в молекулярной конформации крахмала, при этом сами частично деполимеризуются. Под их воздействием происходит текстуризация макромолекул сырья, в результате которой формируется новая структура.

■ ' - ЛИТЕРАТУРА

1.Оболенская А. В., Щеголев В. П., Аким Г. Я.

Практические работы по химии древесины и целлюлозы.

—М.: Лесная пром-сть. 1965. —411 с.

2. Е р м а к о в А. И. Методы биохимического исследования

растений. — Л.: Агропромиздат. — 1987.— 429 с.

3. Р и х т е р М., А у г у с т а т Г.. III и р б а у м Ф.

Избранные методы исследования крахмала: Пер. с нем. /

Под ред. Н.П. Козьминой и B.C. Грюнера. — М.: Пищевая пром-сть, 1975. — 183 с. ...... ■

Кафедра технологии мяса

и мясных продуктов Поступила 12.10.92