CC BY
54
УДК 664:64.641:664.658(045) 001: 10.24411/0235-2486-2019-10091
Исследование кривой вязкости пресного безглютенового теста в зависимости от концентрации различных видов муки
О. А. Корнева, канд. техн. наук; Е. Г. Дунец, канд. техн. наук; О. В. Руденко, канд. техн. наук; Т. Д. Полозюк Кубанский государственный технологический университет, Краснодар
Реферат
Для создания безглютеновых продуктов питания используют различные виды сырья, однако простая замена пшеничной муки на безглютеновую приводит к снижению потребительских свойств продукта. Цель работы - определение оптимального соотношения рецептурных компонентов пресного теста для мучных блюд на основе композиции из соевой, кукурузной, рисовой муки и тапиокового крахмала для получения продукта с реологическими характеристиками, приближенными к эталонному образцу из пшеничной муки. Работы были выполнены в лаборатории Кубанского государственного технологического университета. Динамическую вязкость теста определяли на вискозиметре ВгоокйеИ. Для проектирования рецептур пресного теста были использованы методы математического планирования эксперимента. Для получения эталонной зависимости вязкости от скорости сдвига получены оценки коэффициентов нелинейной модели уравнения связи с помощью методов регрессионного анализа в программе Statistica v6. Для исследуемых образцов уравнение зависимости вязкости найдено в виде модели нелинейной множественной регрессии. Построены графики зависимостей вязкости от скорости сдвига в сравнении с эталонным составом. Для нахождения оптимального соотношения каждого вида муки и крахмала тапиокового в тесте для максимального приближения кривой вязкости к эталонной использованы методы математического программирования. Для этого составлена целевая функция с ограничениями по скорости сдвига. С помощью программы МаШСАй v15 найдены оптимальные значения содержания компонентов: кукурузная мука - 31,897%, рисовая - 31,684%, соевая -12,334%, крахмал тапиоковый - 24,085%. Результаты контрольного измерения вязкости образца с оптимальным составом свидетельствуют о том, что подобранная математическая модель соответствует упруговязкопластичным свойствам данного теста и кривая видоизменяется в зависимости от состава сухой смеси теста. Авторы считают, что применение описания математической модели и проведение регрессионного анализа позволяют подобрать соотношения рецептурных компонентов таким образом, чтобы полученный продукт имел реологические характеристики, приближенные к эталонному образцу.
Ключевые слова
кривая вязкости, коэффициенты зависимости вязкости, кукурузная мука, оптимальный состав, полуобезжиренная соевая мука, пресное тесто, рисовая мука
Цитирование
Корнева О.А., Дунец Е. Г., Руденко О.В., Полозюк Т.Д. (2019) Исследование кривой вязкости пресного безглютенового теста в зависимости от концентрации разных видов муки // Пищевая промышленность. 2019. № 6. С. 62-65.
Investigation of the viscosity curve of fresh gluten-free dough depending on the concentration of different flour types
O.A. Korneva, Candidate of Technical Sciences; E.G. Dunets, Candidate of Technical Sciences; O.V. Rudenko, Candidate of Technical Sciences; T. D. Polozyuk Kuban State Technological University, Krasnodar
Abstract
Various types of raw materials are used to create gluten-free foods, but simply replacing wheat flour with gluten-free one leads to a decrease in consumer properties of the product. The objective of the work is to determine the optimal ratio of recipe components of unleavened dough for flour dishes based on the composition of soybean, corn, rice flour and tapioca starch in order to obtain a product with rheological characteristics close to the reference sample from wheat flour. The work was performed in the laboratory of the Kuban State Technological University. The dynamic viscosity of the test was determined on a Brookfield viscometer. For the design of fresh test recipe, mathematical planning methods of the experiment were used. In order to obtain the reference dependence of viscosity on shear rate, we obtained estimates of the coefficients of the nonlinear model of the equation of communication using the regression analysis methods in the Statistica v6 software. For the studied samples, the equation for the dependence of viscosity was found as a nonlinear multiple regression model. The authors designed graphs of shear rate viscosity versus reference composition. In order to find the optimal ratio of each flour type and tapioca starch in the dough, the methods of mathematical programming were used to maximize the viscosity curve to the reference one. For this purpose, a target function with constraints on shear rate has been compiled. With the help of the software MathCAD v15, the optimum values of the components were found: corn flour - 31.897%, rice flour - 31.684%, soybean - 12.334%, tapioca starch - 24.085%. The results of the control measurement of the sample viscosity with the optimal composition indicate that the mathematically selected model corresponds to the elastic-viscous plastic properties of this test and the curve is modified depending on the composition of the dry mix of the test. The authors believe that the use of the description of a mathematical model and regression analysis allows to choose the ratio of recipe components in such a way that the resulting product has rheological characteristics close to the reference sample.
Key words
rice flour, semi-skim soy flour, corn flour, fresh dough, viscosity curve, viscosity dependence coefficients, optimal composition Citation
Korneva O.A., Dunets E.G., Rudenko O.V., Polozyuk T.D. (2019) Investigation of the viscosity curve of fresh gluten-free dough depending on the concentration of different flour types // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost. 2019. № 6. P. 62-65.
Введение. Целиакия - одно из распространенных генетически обусловленных заболеваний пищеварительной системы, которое характеризуется отсутствием метаболических систем, участвующих в ассимиляции белка пищевых злаков (глютена). Долгое время это заболевание считалось достаточно редким, однако в настоящее время официальная медицина свидетельствует, что причиной этому послужили скорее проблемы с диагностикой заболевания - в последние годы не появилось большего количества заболевших, просто выявлять и ставить диагноз стали чаще, чем раньше [1].
Основным методом лечения является пожизненное строгое соблюдение без-глютеновой диеты. Главным ее принципом служит исключение продуктов, содержащих глютен, а именно хлебобулочные и кондитерские изделия, печенье, крекеры, пицца, все виды теста, блины, оладьи, все макаронные изделия, отруби, каши из пшеничной, ячневой крупы, блюда в панировке.
На российском рынке производство без-глютеновых продуктов является недавно появившимся сегментом. В этом отношении рынок Европы и Северной Америки является намного более насыщенным. Более того, учитывая тренд на здоровое питание, безглютеновые продукты получают все более широкое распространение не только среди покупателей с непереносимостью глютена, но и среди обычных потребителей, которые следят за своим питанием и здоровьем.
На сегодняшний день основными источниками сырья для производства без-глютеновых продуктов питания являются бобовые, в частности соя, нут, горох, фасоль, рис, кукуруза, гречиха и пр.
Конструирование безглютеновых продуктов простой заменой пшеничной муки на муку из вышеперечисленных видов сырья практически во всех случаях приводит к получению продукта с крайне низкими потребительскими свойствами.
Выбор в качестве объекта исследования пресного безглютенового теста обусловлен тем, что данный продукт достаточно универсален и может быть использован для приготовления широкого ассортимента мучных блюд и изделий (пельмени, вареники, хинкали, манты, чебуреки и пр.).
Для получения конечного продукта с высокими органолептическими показателями необходимы изучение функционально-технологических и реологических свойств безглютенового сырья и определение оптимальных соотношений рецептурных компонентов с помощью средств математической статистики.
Цель работы - определение оптимального соотношения рецептурных компонентов пресного теста для мучных блюд с использованием соевой, кукурузной, рисовой муки для получения продукта с реологическими характеристиками,
приближенными к эталонному образцу из пшеничной муки.
Исходя из цели работы, были сформулированы следующие задачи:
• определение основных реологических характеристик пресного безглютенового теста;
• оценка коэффициентов эталонной зависимости вязкости теста на пшеничной муке;
• оценка коэффициентов зависимости вязкости пресного безглютенового теста;
• определение оптимального состава сырья для максимального приближения вязкости исследуемого продукта к эталону.
Ход исследования
В качестве объекта исследования было взято пресное тесто, в котором пшеничную муку заменяли на композицию из кукурузной, рисовой, полуобезжиренной соевой муки и крахмала тапиокового. Подбор компонентов обусловлен особенностями их химического и витаминно-минерального состава и функционально-технологическими свойствами.
Рисовая мука характеризуется повышенным содержанием крахмала (до 60%), низким содержанием жира с преобладанием ненасыщенных жирных кислот, обладает гипоаллергенными свойствами. Отличительной особенностью полисахаридов рисовой муки наряду с высокой водопоглощающей способностью является их взаимодействие с белками, что позволяет улучшить структуру теста и облегчить его формование. Рисовая мука применяется как эффективный загуститель и гелеобразователь [2].
Полуобезжиренная соевая мука отличается повышенным содержанием белка (около 43%), аминокислотный состав которого приближен к идеальной аминокислотной шкале, содержание ненасыщенных жирных кислот составляет около 7,5 %, углеводный комплекс соевой муки представлен в основном сахарозой (до 11%) и пищевыми волокнами. Добавление соевой муки способствует улучшению эластичности теста: оно легче раскатывается и меньше рвется.
Кукурузная мука содержит до 10% белка, около 5 % жира, углеводный комплекс состоит из 70,6 % крахмала, 1,3% моно- и дисахаридов и 4,4% пищевых волокон. Кукурузная мука является исключительным источником витамина В1 [3]. Ее отличают хорошая сахарообразующая способность и способность к клейстериза-ции, а также пониженная энергетическая ценность в сравнении с другими видами безглютенового сырья [2].
Тапиоковый крахмал по своим свойствам близок к картофельному крахмалу. Он способен образовывать более вязкие клейстеры, чем у зерновых крахмалов. Его используют в пищевой промышленности в качестве загустителя и текстуризатора. Он имеет более низкую зольность, соответственно считается самым чистым крахмалом [4].
Для изучения реологических показателей теста из безглютенового сырья необходим обобщающий критерий, на основе которого можно проводить анализ. Таким критерием служит вязкость, в частности ее графическое изображение. Динамическую вязкость теста определяли на вискозиметре ВгоокЯеИ в испытательном центре ФГБОУ ВО КубГТУ. Поскольку исследуемый объект - пресное тесто -является многокомпонентным продуктом, реологические характеристики которого будут зависеть от многих факторов, было принято решение использовать методы математического планирования эксперимента для оптимизации его рецептуры. План эксперимента, необходимого для решения интерполяционной задачи, выбирали исходя из вида модели. Для этого был использован степенной закон, описывающий реологическое поведение многих жидкостей:
(1)
где V - вязкость, Па^с; ш - скорость сдвига, об /с; а0, Ь0 - оценки коэффициентов. В процессе исследования зависимости вязкости от скорости сдвига было испытано шестнадцать образцов теста с различными концентрациями кукурузной, рисовой, соевой муки и тапиокового крахмала с диапазоном значений массы в интервале 55>Хп>25. Соотношения сухих компонентов в исследуемых рецептурах пресного теста представлены в табл. 1.
Определение вязкости проводилось на основании методики, представленной в [5]. За эталон использовали тесто для пельменей из сборника рецептур [6].
Для оценки коэффициентов эталонной зависимости вязкости от скорости сдвига было получено с помощью регрессионного анализа в программе 51аИБ11са v6 уравнение связи в виде:
(2)
Вычисленные коэффициенты уравнения регрессии значимы по уровню 0,05, доля дисперсии исходных данных, объясняемых моделью (коэффициент детерминации R2), равна 0,99 [10]. Такое высокое значение этого коэффициента говорит о высокой практической значимости и адекватности уравнения.
На рис. 1 представлено графическое изображение зависимости вязкости теста от скорости сдвига в эталонном составе.
Для остальных исследуемых образцов уравнение зависимости вязкости было найдено в виде модели нелинейной мно-+а2хг + а,х, +а4х4
(3)
V - -
W
где ш - скорость сдвига; об/с; а, а2, а3, а4, Ь1, Ь2, Ь3, Ь4 - оценки коэффициентов; х1 - доля муки кукурузной; х2 - доля крах-
Номер опыта X X X3 X4
1 37,5 37,5 37,5 37,5
2 55,0 31,7 31,7 31,7
3 31,7 55,0 31,7 31,7
4 50,0 50,0 25,0 25,0
5 31,7 31,7 55,0 31,7
6 50,0 25,0 50,0 25,0
7 25,0 50,0 50,0 25,0
8 41,7 41,7 41,7 25,0
9 31,7 31,7 31,7 55,0
10 50,0 25,0 25,0 50,0
11 25,0 50,0 25,0 50,0
12 41,7 41,7 25,0 41,7
13 25,0 25,0 50,0 50,0
14 41,7 25,0 41,7 41,7
15 25,0 41,7 41,7 41,7
16 37,5 37,5 37,5 37,5
12000
10000
8000
6000
1000
2000
Model v2=a/(vi"b) у=(260,034У(Х"(,603274»
-2000
V. - a « -О-О-О-
-0,5
0,0
0,5
10 1,5 2,0
Скорость деформации, об/с
Рис. 1. Кривая вязкости эталонного состава
2,5
3 0
3,5
Таблица 1
Соотношения мучных компонентов в исследуемых рецептурах пресного теста в натуральных величинах на 150 г сухой смеси, где Х1 - масса муки кукурузной, Х2 - масса крахмала тапиокового, Х3 - масса муки рисовой, Х4 - масса муки соевой.
мала тапиокового; х3 - доля муки рисовой; х4 - доля муки соевой.
Для экспериментальных образцов теста были получены следующие оценки:
| . -го : и. ,;о .. |. : (4)
Полученные коэффициенты значимы по уровню 0,05, доля дисперсии исходных данных, объясняемых моделью (коэффициент детерминации К2), равна 0,948 [7].
В табл. 2 представлены результаты измерения динамической вязкости экспериментальных образцов пресного теста в зависимости от скорости сдвига.
Проведенные опыты говорят о том, что подобранная математически модель соответ-
ствует упруговязкопластичным свойствам данного теста и кривая видоизменяется в зависимости от состава сухой смеси теста.
Для нахождения оптимального соотношения каждого вида муки и крахмала тапиокового в тесте для максимального приближения кривой вязкости к эталонной используем численные методы поиска оптимальных решений многомерных задач - методы математического программирования. Для этого составляем целевую функцию в виде
. ■-■:■-■■-: г'.'1 (5)
где ограничением является скорость сдвига от 0,017 об/с до 3,33 об/с.
С помощью операции Minimize в программе MathCAD v15 находим оптимальные значения переменных x1, x2, x3, x4, доставляющих минимум целевой функции. Полученные значения: x, = 31,897%; x2 = 24,085%; x3 = 31,684%; x34 = 12,334%.
Построим полученные зависимости вязкости в оптимальном составе теста (opt) и эталонном ve(w) - рис. 2. Кривая 1 -эталонная зависимость, рассчитанная аналитически, кривая 2 - экспериментальная кривая, кривая 3 - функция, приближенная к эталону, малиновым - результат эксперимента оптимального состава.
Таблица 2
Результаты измерения динамической вязкости экспериментальных образцов пресного теста в зависимости от скорости сдвига
Скорость сдвига, об /с Номер образц а
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 эталон
Вязкость, Па^
0,017 11100 6260 4480 2109 3475 12045 4580 6255 26400 18300 18600 8190 11050 9200 11900 3000
0,033 4440 2680 2500 1945 2105 4575 2695 6215 14050 11900 9900 4585 7680 5945 7095 2060
0,042 3540 2060 2210 1565 1650 3695 3030 2135 10900 7440 7520 3880 6220 4895 5850 1850
0,050 2730 1930 1540 1555 1285 2525 2190 1900 8260 6850 6375 3335 5060 3360 5080 1580
0,067 2140 1510 1255 1305 940 2350 1740 1400 6330 4835 5085 2675 3730 2835 4005 1350
0,083 1670 1250 1165 919 679 2040 1340 944 5150 3715 3470 2215 3210 2355 3260 1110
0,125 1250 1180 817 676 446 1405 1105 646 3495 2745 2405 1560 2505 1815 2005 815
0,167 924 1140 546 519 362 1310 687 416 2715 2105 1850 1245 1985 1600 1440 659
0,200 772 743 458 437 285 1090 644 362 1875 1890 1475 1415 1480 1360 1140 580
0,250 618 620 376 354 230 875 541 311 1950 1415 1185 872 1120 1055 907 540
0,417 449 429 264 266 170 565 414 219 1140 951 758 649 873 623 660 465
0,833 239 279 166 163 100 343 236 139 481 391 379 348 303 180 213 460
1,250 165 181 123 140 70 171 163 96 325 283 218 185 180 107 136 340
1,670 124 140 93 110 57 163 149 79 239 212 149 131 134 80 95 247
2,000 111 116 81 77 54 139 129 67 191 179 140 104 121 60 77 238
2,330 88 56 72 80 42 120 115 57 161 120 120 64 82 50 58 210
2,500 86 49 66 70 45 113 106 52 147 106 113 55 75 46 52 195
3,000 75 38 55 59 36 92 94 49 122 86 92 43 62 36 42 165
3,330 68 32 53 45 34 83 64 44 107 69 85 37 55 31 41 147
1 / / /2
W,W W,, \V£., Wij
Рис. 2. Графики зависимостей оптимального и эталонного составов
1
S / -
2
ЬТО, f Ьй(орО< . ^Ч. / 3
4 -
i -i -1 4 k(*3, Ww), , 1«<те)| ,M*»)i >
Рис. 3. Графики логарифмов зависимостей оптимального и эталонного составов
Для наглядности, перейдя к логарифмическому масштабу, получим визуальное представление о близости расчетного оптимального состава теста к эталонному (рис. 3).
Из вышеприведенных графиков и экспериментальных данных можно сделать вывод, что подобранная математически модель соответствует упруговязкопластич-ным свойствам данного теста и получен оптимальный состав сухой смеси теста.
Результаты и их обсуждение. После экспериментально полученных результатов, удовлетворяющих задачи исследования, можно отметить, что за счет применения описания математической модели и проведения регрессионного анализа удалось подобрать такое соотношение сырья, при котором технологические свойства пельменного теста практически не уступают эталонному. Полученные результаты свидетельствуют о том, что оптимальным соотношением сухих компонентов в рецептуре пресного безглютенового теста будут мука кукурузная в количестве 31,897 %, крахмал тапиоковый - 24,085%, мука рисовая - 31,684% и мука соевая - 12,334%.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 18-016-00164А.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маталыгина, О.А. Организация питания детей с целиакией в возрасте от 1,5 до 17 лет (для руководителей дошкольных образовательных учреждений и предприятий питания: методические рекомендации) / О.А. Маталыгина, И.Э. Романовская. - СПб.: Издательство Союза педиатров России, 2011. - 34 с.
2. Масалова, В.В. Технологические аспекты выбора сырья при производстве безглютено-вых замороженных полуфабрикатов в тесте / В.В. Масалова, Н.П. Оботурова, Т.В. Ярош // Наука современности-2015 (сборник материалов международной научной конференции). -Киров, МЦНИП, 2015. - С. 118-127.
3. Матвеева, Т.В. Мучные кондитерские изделия функционального назначения. Научные основы, технологии, рецептуры (монография) / Т.В. Матвеева, С.Я. Корячкина. -Орел: Госуниверситет - УНПК, 2011. - 358 с.
4. Крахмал тапиоковый. (http://www. promgLobaL.ru/ himicheskaja-produkcija/ pishhevye-dobavki/krahmaL-tapiokovyj. htmL)
5. Крупенникова, В.Е. Определение динамической вязкости на ротационном вискозиметре BrookfieLd RVDV-II+ Pro: метод. указание / В.Е. Крупенникова, В.Д. Раднаева, Б. Б. Танганов. - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2011. -48 с.
6. Здобнов, А.И. Сборник рецептур блюд и кулинарных изделий (для предприятий общественного питания) / А.И. Здобнов,
В.А. Цыганенко. - Киев: Арий, М.: Лада, 2009. - 680 с.
7. Стукач, О.В. Программный комплекс Statistica в решении задач управления качеством (учебное пособие) / О.В. Стукач. -Томск: Томский политехнический университет, 2011. - 163 с.
REFERENCES
1. Matalygina, O.A. Organizaciya pitaniya detej s celiakiej v vozraste ot 1,5 do 17 let (dlya rukovoditelej doshkol'nyh obrazovatel'nyh uchrezhdenij i predpriyatij pitaniya: meto-dicheskie rekomendacii) / O.A. Matalygina, I.E. Romanovskaya. - SPb.: Izdatel'stvo Soyuza pediatrov Rossii, 2011. - 34 s.
2. Masalova, V.V. Tekhnologicheskie aspek-ty vybora syr'ya pri proizvodstve bezglyuten-ovyh zamorozhennyh polufabrikatov v teste / V.V. Masalova, N.P. Oboturova, T.V. Yarosh // Nauka sovremennosti-2015 (sbornik materialov mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii). - Kirov, MCNIP, 2015. - S. 118-127.
3. Matveeva, T.V. Muchnye konditerskie izdeLi-ya funkcionaL'nogo naznacheniya. Nauchnye osnovy, tekhnoLogii, receptury (monografiya) / T.V. Matveeva, S.Ya. Koryachkina. - Orel: Gos-universitet - UNPK, 2011. - 358 s.
4. Krahmal tapiokovyj. (http://www. promgLobaL.ru/ himicheskaja-produkcija/ pishhevye-dobavki/krahmal-tapiokovyj. htmL)
5. Krupennikova, V.E. OpredeLenie dina-micheskoj vyazkosti na rotacionnom viskoz-imetre BrookfieLd RVDV-II+ Pro: metod. ukazanie / V.E. Krupennikova, V.D. Rad-naeva, B.B. Tanganov. - ULan-Ude: VSGTU, 2011. - 48 s.
6. Zdobnov, A.I. Sbornik receptur bLyud i ku-Linarnyh izdeLij (dLya predpriyatij obshchestven-nogo pitaniya) / A.I. Zdobnov, V.A. Cyganenko. -Kiev: Arij, M.: Lada, 2009. - 680 s.
7. Stukach, O.V. Programmnyj kompLeks Statistica v reshenii zadach upravLeniya kachest-vom (uchebnoe posobie)/ O.V. Stukach. -Tomsk: Tomskij poLitekhnicheskij universitet, 2011. - 163 s.
Авторы
Корнева Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, Дунец Елена Георгиевна, канд. техн. наук, Руденко Ольга Валентиновна, канд. техн. наук, Полозюк Татьяна Дмитриевна
Кубанский государственный технологический университет, 350072, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2, otya.korneva@mai1.ru, dunets1@yandex.ru, o1ga_ned@mai1.ru, t.po1ozyuk@mai1.ru
Authors
Korneva Olga Anatolyevna, Candidate of Technical Sciences, Dunets Elena Georgievna, Candidate of Technical Sciences, Rudenko Olga Valentinovna, Candidate of Technical Sciences, Polozyuk Tatyana Dmitrievna
Kuban State Technological University, 2, Moscowskaya str., Krasnodar, Krasnodar region, 350072, olya.korneva@mail.ru, dunetsl@yandex.ru, olga_ned@mail.ru, t.polozyuk@mail.ru
