CC BY
9
УДК 582.663:664.66(045) DOI 10.24411/0235-2486-2020-10036
исследование микроструктуры полуфабриката из семян амаранта
В.Б. Мазалевский*, канд. техн. наук; О.К. Мотовилов, д-р техн. наук
сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий ран, новосибирская обл., пос. Краснообск
Дата поступления в редакцию 03.10.2019 * mazalevskij@yandex.ru
Дата принятия в печать 27.03.2020 © Мазалевский В.Б., Мотовилов О.К., 2020
Реферат
Семена амаранта - уникальный источник ценных нутриентов: белков, жиров, углеводов, пищевых волокон, витаминов, микроэлементов, сквалена, которые можно комплексно использовать для обогащения продуктов питания. Целью работы является исследование влияния параметров гидромеханического диспергирования на микроструктуру полуфабрикатов из семян амаранта. Работы выполняли в Сибирском федеральном научном центре агробиотехнологий. Для определения наличия требуемых показателей применены органолептические и микроскопические методы исследований. Выполнен микроструктурный анализ для выявления степени диспергирования семян. Описано влияние параметров гидромеханического диспергирования семян амаранта на микроструктуру и органолептические показатели полуфабриката из семян амаранта пищевого назначения. Гидромеханическое диспергирование осуществлялось в роторно-пульсационном аппарате МАГ-50. Гомогенность продукта зависит главным образом от температуры обработки. Продолжительность обработки при фиксированной температуре не оказывает значительного влияния на органолептические показатели полуфабриката. Исследование микроструктуры показало, что вид и размер крахмальных зерен зависят и от температуры, и от продолжительности обработки. При температурах обработки 40±2 С зерна крахмала остаются в твердом состоянии, и это приводит к крупитчатой и водянистой консистенции полуфабриката. Увеличение температуры до 60±2 С способствует набуханию крахмальных зерен, размягчению их структуры, выходу в раствор полисахаридов и как следствие к формированию однородной пастообразной консистенции. Увеличение температуры до 80±2 С приводит к интенсификации желатинизации крахмала. Продолжительность гидромеханического диспергирования влияет на уменьшение размеров измельчаемых частиц. Полуфабрикат рекомендуется для использования в качестве сырья при создании комбинированных продуктов питания.
Ключевые слова
амарант, семена, полуфабрикаты, диспергирование, роторно-пульсационный аппарат, крахмал Для цитирования
Мазалевский В.Б., Мотовилов О.К. (2020) Исследование микроструктуры полуфабриката из семян амаранта // Пищевая промышленность. 2020. № 3. С. 47-50.
The study of the microstructure of the half-prepared product from amaranth seeds
V.B. Mazalevskiy*, Candidate of Technical Sciences; O.K. Motovilov, Doctor of Technical Sciences Siberian Federal Scientific Centre of Agro-BioTechnologies of the RAS, Krasnoobsk village, Novosibirsk region
Received: October 3, 2019 * mazalevskij@yandex.ru
Accepted: March 27, 2020 © Mazalevskiy V.B., Motovilov O.K., 2020
Abstract
Amaranth seeds are a unique source of valuable nutrients. This is proteins, fats, carbohydrates, dietary fiber, vitamins, minerals, squalene, which can be used in complex for the enrichment of food. The aim of the work is to study the effect of the parameters of hydromechanical dispersion on the microstructure of half-prepared foods from amaranth seeds. The work was performed in the Siberian Federal Scientific Center for Agrobiotechnology. Organoleptic and microscopic investigation methods were used. A microstructural analysis was performed to identify the degree of grinding seeds. The influence of the hydromechanical dispersion parameters of amaranth seeds on the microstructure and organoleptic characteristics of the half-prepared foods from amaranth seeds was described. Hydromechanical dispersion was carried out in a rotary pulsation apparatus MAG-50. The homogeneity of the product depends mainly on the temperature. The duration of treatment at a fixed temperature does not significantly affect the organoleptic characteristics of the half-prepared product. The study of the microstructure showed that the type and size of starch grains depends on the temperature and the duration of the process. At a temperature of 40±2 °C, the starch grains remain in a solid state, the consistency of the half-prepared product is grainy and watery. At a temperature of 60±2 °C, starch grains swell, their structure softens, polysaccharides dissolve and, as a result, a homogeneous consistency is formed. An increase in temperature to 80±2 °C leads to an intensification of the gelatinization of starch. The increase in the duration of hydromechanical dispersion affects the reduction of the size of comminuted particles. The half-prepared product is recommended for use as a raw material in the creation of combined food products.
Key words
amaranth, seeds, half-prepared foods, dispersion, rotary-pulsation apparatus, starch For citation
Mazalevskiy V.B., Motovilov O.K. (2020) The study of the microstructure of the half-prepared product from amaranth seeds // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 3. P. 47-50.
issn 0235-2486 пищевая промышленность 3/2020
47
ОБОРУДОВАНИЕ И 1Т-ТЕХНОЛОГИИ
Введение. Амарант принадлежит к отряду Гвоздичноцветные, семейству Амарантовые, роду Амарант. Три основных вида рода Амарант, происходящих из Южной Америки, используются для производства зерна: А. hypochondriacus L., А. сгиеп^ L. и А. caudatus Ь [1].
Содержание белка в семенах амаранта составляет 13,8-21,5%. Белки амаранта состоят из около 40% альбуминов, 20% глобулинов, 25-30% глютелинов и 2-3% проламинов [2-4] и обладают хорошо сбалансированным аминокислотным составом. Содержание лизина в амаранте примерно в два раза выше, чем в других распространенных злаках, таких как пшеница или кукуруза [4, 5].
Углеводы (63,1-76,5%) амаранта можно считать нутрицевтической пищей, поскольку они оказывают гипохолесте-ринемическое действие, положительное гипогликемическое действие и вызывают снижение уровня свободных жирных кислот [3].
Крахмал в амаранте является основным компонентом углеводов, его количество в пределах от 48 до 69 % в зависимости от вида. Типичные составные частицы крахмала могут достигать 90 мкм в диаметре [6]. Содержание амилозы в крахмале амаранта ниже, чем в других зерновых крахмалах (от 0,1 до 11,1 %), высокое содержание амилопектина способствует более широким диапазонам растворимости и температуры желати-низации, более высокой сорбционной способности и чувствительности к ферментам [7, 8].
В семенах амаранта при общем количестве 11,5-13 % содержится 8,9-9,5 % нерастворимых и 2,6-3,5% растворимых пищевых волокон [9, 10].
Зерно амаранта имеет более высокое содержание липидов, чем большинство других зерновых культур - от 5,7% до 10,9% (в среднем 8,81%). В масле амаранта от 75 до 77,1 % жирных кислот являются ненасыщенными. Линолевая кислота является наиболее распространенной жирной кислотой (47,5-47,8 г/100 г жира), за которой следуют олеиновая кислота (23,7-32,9) и пальмитиновая кислота (12,3-20,9) [11].
В амаранте обнаружены а-токоферол (2,97-15,65 мг/кг), р-токотриенол (5,9211,47 мг / кг) и у-токотриенол (0,958,69 мг/кг). Амарант является хорошим источником рибофлавина (0,19-0,23) и аскорбиновой кислоты (3,36-7,24 мг/100 г сухого веса) [12].
Сквален, высоконенасыщенный тритер-пен с открытой цепью, который является биохимическим предшественником всего семейства стероидов, присутствует в высоких концентрациях в амаранте (от 1,9 до 11,19%). В качестве пищевой составляющей сквален обладает способностью ингибировать синтез холестерина в печени, снижая его уровень [13].
Цель исследования. Таким образом, семена амаранта - уникальный источник ценных нутриентов, которые можно комплексно использовать для обогащения продуктов питания. В целях гармонизации сочетания основных нутриентов комбинированных продуктов рецептурные компоненты, такие как семена амаранта, необходимо использовать в виде пастообразного полуфабриката, обладающего гомогенностью и седиментационной устойчивостью. Поэтому целью данной работы является исследование влияния параметров гидромеханического диспергирования на микроструктуру полуфабрикатов из семян амаранта.
Результаты исследования и их анализ. Эксперимент осуществлялся Сибирским федеральным научным центром агробиотехнологий. Для выработки экспериментальных образцов использовался роторно-пульсационный аппарат МАГ-50 компании «Альт-А» (Россия) - рис. 1. Скорость вращения ротора мАГ-50 составляет 3000 об /мин.
Семена амаранта (Amaranthus spp.) подвергали гидратации при температуре 20±2 °С в течение 16 ч. Набухшие семена амаранта и воду в соотношении 1:3 загружали в МАГ-50 для преобразования в пастообразный полуфабрикат. При диспергировании семян в аппарате температура увеличивается на 2 °С /мин. При помощи подачи воды в водяную рубашку препятствовали повышению температуры выше заданного уровня. Вырабатывали шесть опытных образцов (табл. 1).
Исследование микроструктуры проводилось с использованием микроскопа Carl Zeiss Stereo Discovery V8 (Германия) с камерой Axio Cam ICc 5 (Германия) и программным обеспечением ZEN. Мате-
матическая обработка экспериментальных данных проводилась с использованием компьютерной программы Microsoft Office Excel.
Микроструктура опытных образцов полуфабриката из семян амаранта представлена на рис. 1.
По данным [14] высушенные гранулы крахмала амаранта имеют различные размеры и многоугольную угловую форму, плотно агрегированы как виноградная гроздь. Средний диаметр крахмальных гранул - от 0,221 до 2,351 мкм. В нашем исследовании в образцах 1 и 2 присутствуют частицы с формой шара и эллипса.
согласно исследованию [15] в линиях A. hypochondriacus (IC38312, IC42284-5, IC540839) и A. caudatus (IC423392) были обнаружены гранулы крахмала размером от 90 до 210 мкм.
Рис. 1 показывает обособленное расположение большинства крахмальных гранул в исследуемых образцах. Это может быть следствием гидромеханической обработки в МАГ-50. В образцах 3-6 частицы обладают неправильной формой растекшейся капли с приблизительными размерами от 100 до 550 мкм. Поведение частиц в зависимости от изменения температуры и продолжительности обработки позволяет идентифицировать в них зерна крахмала. При низкой температуре крахмал растворяется плохо.
При 40±2 °С набухание зерен крахмала недостаточно для формирования вязкой консистенции, они находятся в твердом состоянии. Это приводит к крупитчатости консистенции (табл. 2).
Увеличение температуры до 60±2 °С активизирует набухание крахмала, и начинается клейстеризация. Полисахариды выходят в окружающий раствор, консистенция полуфабриката приобретает однород-
Режимы обработки экспериментальных образцов
Таблица 1
Образец №
Температура обработки, °С
Продолжительность нагревания до заданной температуры, мин
Продолжительность обработки при заданной температуре, мин
1 40±2 10±1 20±1
2 40±2 10±1 30±1
3 60±2 20±1 20±1
4 60±2 20±1 30±1
5 80±2 30±1 20±1
6 80±2 30±1 30±1
Таблица 2 Органолептические показатели образцов полуфабриката из семян амаранта
Показатель
Образец Вкус и запах Цвет Внешний вид и консистенция
1 2 Слабый зерновой Светло-серый Желтовато-серый Водянистая крупитчатая
3 4 Зерновой Светло-желто-коричневый Серо-желто-коричневый Однородная, легкая крупитчатость
5 6 Интенсивный зерновой Желто-коричневый Вязкая однородная
сте продолжительности обработки можно отметить увеличение количества частиц фракции 30,0-50,0 мкм и уменьшение количества частиц фракции 50,1-100 мкм. Сопоставление образцов 3 и 4 позволяет обнаружить увеличение количества частиц фракции 50,1-100,0 мкм и уменьшение количества частиц фракций 100,1-200,0, 200,1-300,0, 300,1-550,0 мкм. В образцах 5 и 6 наблюдаются похожие закономерности, но в отличие от образцов 3 и 4 происходит увеличение процента частиц фракции 200,1-300,0 мкм.
Это может быть следствием дальнейшего набухания частиц из фракций с меньшими размерами, а также следствием измельчения частиц из фракций с большими размерами. Так, в образце 6 стало меньше частиц фракции 300,1-550,0 мкм, они могли пополнить фракцию 200,1-300,0 мкм. В образце 2 по сравнению с образцом 1 также произошло увеличение количества частиц фракции 100,1-200,0 мкм, которая является самой крупной в этих образцах. Эти данные свидетельствуют о наличии двух одновременных процессов в полуфабрикатах при обработке в МАГ-50: набухание крахмальных зерен - клейстеризация (желатинизация) и их измельчение.
Заключение. Таким образом, исследование гидромеханического диспергирования семян амаранта показало, что при температурах обработки 40±2 °С зерна крахмала остаются в твердом состоянии. Увеличение температуры до 60±2 °С способствует набуханию крахмальных зерен, размягчению их структуры, выходу в раствор полисахаридов. Увеличение температуры до 80±2 °С приводит к интенсификации желатинизации крахмала. Продолжительность гидромеханического диспергирования влияет на уменьшение размеров измельчаемых частиц.
ЛИТЕРАТУРА
£
=г '■■'
Т
U CD
J ■■
i i к LI. к
12 3 4 5 6
Опытный образец
■ 30,0-50,0 150,1-100,0 1100,1-200,0 «200,1-300,0 1:300,1-550,0 Рис. 2. Распределение частиц по размерам, мкм (P>0,95)
ность. Вязкая консистенция образцов 5 и 6 и наличие частиц, похожих на лопнувшие пустые оболочки крахмальных зерен, свидетельствуют о высокой степени клейсте-ризации крахмала при 80±2 °С.
Распределение частиц крахмала в опытных образцах по фракциям представлено на рис. 2.
В образцах 1 и 2 преобладают частицы с размерами до 100 мкм. В образце 2 больше частиц с размерами от 30 до 50 мкм, чем в образце 1 с меньшей продолжительностью обработки. В образцах 3-6 появляются частицы с размерами от 200,1 до 550 мкм. Это набухшие зерна крахмала. При сравнении образцов 1 и 2 при ро-
1. Chandra, S. Importance of quinoa and amaranth in food security/S. Chandra, P. Dwivedi, M.M.V. Baig [et aL] // Journal of Agriculture and Ecology. - 2018. - Vol. 5. - P. 26-37.
2. Vargas, O.L.T. Physical-chemical characterization of quinoa (Chenopodium quinoa WiLLd.), amaranth (Amaranthus caudatus L.) and chia (Salvia hispanica L.) flours and seeds/O.L.T. Vargas, A.J.G. SaLcedo, H.A. CaLderon // Acta Agronomica. - 2018. -VoL. 67. - No. 2. - P. 215-222. DOI: 10.15446/acag. v67n2.63666.
3. Joshi, D.C. From zero to hero: the past, present and future of grain amaranth breeding/D.C. Joshi, S. Sood, R. Hosahatti [et aL.] // TheoreticaL and AppLied Genetics. -2018. - VoL. 131. - No. 9. - P. 1807-1823. DOI: 10.1007/s00122-018-3138-y.
4. Lopez, D.N. Amaranth, quinoa and chia protein isoLates: physicochemicaL and
ISSN 0235-2486 пищевая промышленность 3/2020
49
ОБОРУДОВАНИЕ И it-ТЕХНОЛОГИИ
structural properties/D.N. Lopez, M. Galante, M. Robson [et al.] // International Journal of Biological Macromo[ecu[es. - 2018. -Vol. 109. - P. 152-159. DOI: 10.1016/j. ijbiomac. 2017.12.080.
5. Mota, C. Protein content and amino acids profile of pseudocereals/C. Mota, M. Santos, R. Mauro [et al.] // Food Chemistry. - 2016. -Vol. 193. - P. 55-61. DOI: 10.1016/j. foodchem. 2014.11.043
6. Xia, X. Granular Structure and Physicochemical Properties of Starches from Amaranth Grain/X. Xia, G. Li, F. Liao [et al.] // International Journal of Food Properties. -
2015. - Vol. 18. - No. 5. - P. 1029-1037. DOI: 10.1080/10942912.2013.860168.
7. Zhu, F. Structures, physicochemical properties, and applications of amaranth starch. Critical Reviews // Food Science and Nutrition. - 2015. - Vol. 57. - No. 2. - P. 313-325. DOI: 10.1080 / 10408398.2013. 862784.
8. Sindhu, R. Thermal, structural and textural properties of amaranth and buckwheat starches /R. Sindhu, B. S. Khatkar // Journal of Food Science and Technology. - 2018. -Vol. 55. - No. 12. - P. 5153-5160. DOI: 10.1007/s13197-018-3474-6.
9. Kurek, M.A. Physicochemical properties of dietary fibers extracted from gluten-free sources: quinoa (Chenopodium quinoa), amaranth (Amaranthus caudatus) and millet (Panicum miliaceum)/M.A. Kurek, S. Karp, J. Wyrwisz [et al.] // Food Hydrocolloids. - 2018. -Vol. 85. - P. 321-330. DOI: 10.1016/j. foodhyd. 2018.07.021.
10. Lamothe L.M. Quinoa (Chenopodium quinoa W.) and Amaranth (Amaranthus caudatus L.) provide dietary fibres high in pectic substances and xyloglucans/ L. M. Lamothe, S. Srichuwong, B.L. Reuhs [et al.] // Food Chemistry. - 2015. - Vol. 167. - P. 490-496. DOI: 10.1016/j. foodchem. 2014.07.022.
11. Tang, Y. Assessing the Fatty Acid, Carotenoid, and Tocopherol Compositions of Amaranth and Quinoa Seeds Grown in Ontario and Their Overall Contribution to Nutritional Quality/Y. Tang, X. Li, P.X. Chen [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. -
2016. - Vol. 64. - No 5. - P. 1103-1110. DOI: 10.1021/acs. jafc. 5b05414.
12. Kraujalis P. Supercritical carbon dioxide extraction of squalene and tocopherols from amaranth and assessment of extracts antioxidant activity/P. Kraujalis, P.R. Venskutonis // The Journal of Supercritical Fluids. - 2013. -Vol. 80. - P. 78-85. DOI: 10.1016/j. supflu. 2013.04.005.
13. Ott, C. Exploitation of amaranth oil fractions enriched in squaLene for dual delivery of hydrophiLic and lipophilic actives/C. Ott, I. Lacatusu, G. Badea [et aL.] // Industrial Crops and Products. - 2015. - Vol. 77. - P. 342-352. DOI: 10.1016/j. indcrop. 2015.08.057.
14. Chandla, N.K. Amaranth (Amaranthus spp.) starch isolation, characterization, and utilization in development of clear edible fiLms/N.K. Chandla, D.C. Saxena, S. Singh // Journal of Food Processing and Preservation. -
2017. - Vol. 41. - No. 6. P. e13217. DOI: 10.1111/jfpp. 13217.
15. Singh, N. Structural, thermal, and rheoLogicaL properties of Amaranthus hypochondriacus and Amaranthus caudatus starches/N. Singh, S. Kaur, A. Kaur [et aL.] // Starch - Stärke. - 2014. - Vol. 66. - No. 5-6. -P. 457-467. DOI: 10.1002/star. 201300157.
REFERENCES
1. Chandra S, Dwivedi P, Baig MMV [et aL.]. Importance of quinoa and amaranth in food security. Journal of Agriculture and Ecology.
2018. Vol. 5. P. 26-37.
2. Vargas OLT, SaLcedo AJG, CaLderon HA. Physical-chemical characterization of quinoa (Chenopodium quinoa WiLLd.), amaranth (Amaranthus caudatus L.) and chia (Salvia hispanica L.) flours and seeds. Acta Agronomica. 2018. VoL. 67. No. 2. P. 215-222. DOI: 10.15446/acag. v67n2.63666.
3. Joshi DC, Sood S, Hosahatti R, [et aL.]. From zero to hero: the past, present and future of grain amaranth breeding. Theoretical and Applied Genetics. 2018. VoL. 131. No. 9. P. 1807-1823. DOI: 10.1007/s00122-018-3138-y.
4. Lopez DN, GaLante M, Robson M, [et aL.]. Amaranth, quinoa and chia protein isoLates: physicochemicaL and structuraL properties. International Journal of Biological Macromolecules. 2018. VoL. 109. P. 152-159. DOI: 10.1016/j. ijbiomac. 2017.12.080.
5. Mota C, Santos M, Mauro R [et aL.]. P r ot ei n cont en t and am in o a ci ds profiLe of pseudocereaLs. Food Chemistry. 2016. VoL. 193. P. 55-61. DOI: 10.1016/j. foodchem. 2014.11.043
6. Xia X, Li G, Liao F [et aL.], GranuLar Structure and PhysicochemicaL Properties of Starches from Amaranth Grain. International Journal of Food Properties. 2015. VoL. 18. No. 5. P. 1029-1037. DOI: 10.1080/10942912.2013.860168.
7. Zhu F. Structures, physicochemicaL properties, and appLications of amaranth
starch. Critical Reviews. Food Science and Nutrition. 2015. Vol. 57. No. 2. P. 313-325. DOI: 10.1080/10408398.2013.862784.
8. Sindhu R, Khatkar BS. Thermal, structural and textural properties of amaranth and buckwheat starches. Journal of Food Science and Technology. 2018. Vol. 55. No. 12. P. 5153-5160. DOI: 10.1007/s13197-018-3474-6.
9. Kurek MA, Karp S, Wyrwisz J [et al.]. Physicochemical properties of dietary fibers extracted from gluten-free sources: quinoa (Chenopodium quinoa), amaranth (Amaranthus caudatus) and millet (Panicum miliaceum). Food Hydrocolloids. 2018. Vol. 85. P. 321-330. DOI: 10.1016/j. foodhyd. 2018.07.021.
10. Lamothe LM, Srichuwong S, Reuhs BL, [et al.]. Quinoa (Chenopodium quinoa W.) and Amaranth (Amaranthus caudatus L.) provide dietary fibres high in pectic substances and xyloglucans. Food Chemistry. 2015. Vol. 167. P. 490-496. DOI: 10.1016/j. foodchem. 2014.07.022.
11. Tang Y, Li X, Chen PX, [et al.]. Assessing the Fatty Acid, Carotenoid, and Tocopherol Compositions of Amaranth and Quinoa Seeds Grown in Ontario and Their Overall Contribution to Nutritional Quality. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2016. Vol. 64. No. 5. P. 1103-1110. DOI: 10.1021/acs. jafc. 5b05414.
12. Kraujalis P, Venskutonis PR. Supercritical carbon dioxide extraction of squalene and tocopherols from amaranth and assessment of extracts antioxidant activity. The Journal of Supercritical Fluids. 2013. Vol. 80. P. 78-85. DOI: 10.1016/j. supflu. 2013.04.005.
13. Ott C, Lacatusu I, Badea G, [et al.]. Exploitation of amaranth oil fractions enriched in squalene for dual delivery of hydrophilic and Lipophilic actives. Industrial Crops and Products. 2015. VoL. 77. P. 342-352. DOI: 10.1016/j. indcrop. 2015.08.057.
14. Chandla NK, Saxena DC, Singh S. Amaranth (Amaranthus spp.) starch isoLation, characterization, and utiLization in development of clear edible films. Journal of Food Processing and Preservation. 2017. Vol. 41. No. 6. P. e13217. DOI: 10.1111/jfpp. 13217.
15. Singh N, Kaur S, Kaur A, [et al.]. Structural, thermal, and rheological properties of Amaranthus hypochondriacus and Amaran-thus caudatus starches. Starch Sta rke. 2014. Vol. 66. No. 5-6. P. 457-467. DOI: 10.1002/star. 201300157.
Авторы
Мазалевский Виктор Борисович, канд. техн. наук, Мотовилов Олег Константинович, д-р техн. наук Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН, 630501, Новосибирская обл., Новосибирский р-н, пос. Краснообск, maza1evskij@yandex.ru, ol_mot@ngs.ru
Authors
Victor B. Mazalevskiy, Candidate of Technical Sciences, Oleg K. Motovilov, Candidate of Technical Sciences
Siberian FederaL Scientific Centre of Agro-BioTechnoLogies of the RAS, Krasnoobsk viLLage, Novosibirsk district, Novosibirsk region, Russia, 630501, mazaLevskij@yandex.ru, oL_mot@ngs.ru
