CC BY
85
^ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 60:664:664.144/149
Изучение вязко-упругих свойств и активности воды в маршмеллоу
на основе полисахаридов растительного и микробного происхождения
Ю. А. Кодацкий, канд. с.-х. наук; О. Н. Клюкина, канд. техн. наук, доцент; Н. В. Неповинных, канд. техн. наук, доцент; Н. М. Птичкина, д-р хим. наук, профессор Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова С. Л. Шмаков, канд. хим. наук, доцент
Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского С. Еганехзад, канд. хим. наук, доцент; Р. Кадкходаи, канд. хим. наук, доцент Научно-исследовательский институт пищевых технологий, Иран, Мешхед
Маршмеллоу - жевательное суфле, получившее широкое распространение в странах Запада и Европейского союза. В настоящее время оно все чаще встречается на полках российских магазинов. Секрет популярности данного продукта кроется в уникальном сочетании его текстурных характеристик - воздушности, мягкости и упругости [1], достигаемых за счет включения в его состав желатина. Последний, будучи белком, способным к образованию эластичных студней, в процессе приготовления маршмел-лоу одновременно выполняет две функции - пенообразователя и эффективного загустителя [2]. При добавлении сахара и последующем интенсивном взбивании желатин образует пластичную воздушную массу, которая после застывания начинает проявлять ярко выраженные упругие свойства.
Тем не менее вопреки высоким технологическим достоинствам использование желатина нередко ограничено из-за его животного проис-
хождения [3]. Продукты на его основе не приветствуются во множестве различных диет, а санитарное состояние сырья часто оставляет желать лучшего. В свете этих фактов представляется актуальной замена желатина на полисахариды - желирующие агенты растительного и микробного происхождения, многие из которых широко используются в кондитерской промышленности [4]. Задача исследователя в данном случае сводится к качественному и количественному подбору структурообразующих полисахаридов, продукция на основе которых по своей текстуре могла бы быть сопоставима с оригинальным маршмеллоу. Выработка изделий данного типа позволит избежать ограничений на их дальнейшее распространение по религиозным и медицинским причинам, и тем самым повысит объемы сбыта.
Работа выполнялась на базе кафедры «Технология продуктов питания» Саратовского государственного аграрного университета имени
Таблица 1
Состав экспериментальных рецептур маршмеллоу, мас. %
Рецептура Гуаровая камедь Камедь рожкового дерева Ксан-тан Вода Сывороточный белок Яичный альбумин Сахар Инверт-ный сироп
1 0,80 - 0,70 31,56 0,64 - 35,77 30,53
2 0,80 - 0,70 31,56 - 0,64 35,77 30,53
3 0,70 - 0,80 31,56 0,64 - 35,77 30,53
4 0,70 - 0,80 31,56 - 0,64 35,77 30,53
5 0,90 - 0,60 31,56 0,64 - 35,77 30,53
6 0,90 - 0,60 31,56 - 0,64 35,77 30,53
7 - 1,00 1,00 35,47 0,60 - 33,41 28,52
8 - 1,00 1,00 35,47 - 0,60 33,41 28,52
Н. И. Вавилова и Лаборатории пищевой промышленности Научно-исследовательского института пищевых технологий (г. Мешхед, Иран). За основу была принята типичная рецептура маршмеллоу [5]. Получаемый продукт имеет следующий состав: желатин - 2,08 %, вода -25,11%, альбумин - 0,69%, сахар - 38,91%, композиция сиропов -33,21%. Данные величины (кроме желатина) были приняты как базовые при разработке альтернативных безжелатиновых рецептур маршмеллоу. Желирующие агенты подбирались с учетом как их индивидуального действия, так и синергетического эффекта, проявляемого при взаимодействии с другим полисахаридом [6]. Концентрации исследуемых полисахаридов брались в диапазоне от 0,2% (минимума, необходимого для проявления желирующего эффекта) до 1% (величины, свыше которой использование полисахарида, как правило, нерентабельно). Описание экспериментальных рецептур маршмеллоу приведено в табл. 1.
Для изучения структурных свойств контрольного и экспериментальных образцов маршмеллоу был использован метод текстурного анализа, реализованный в аппаратурно-программном комплексе TA. XT plus Texture Analyzer фирмы Stable Micro Systems. Этот метод производит всестороннюю оценку образцов с точки зрения их восприятия человеком [7]. В процессе исследования образцы подвергались управляемым силам сжатия с использованием специально подобранного зонда. Сопротивление материалов контролировали с помощью калиброванного динамометрического датчика. Определенные в результате эксперимента нагрузки являются функциями свойств и режимов испытания образцов [8].
Активность воды - одна из важнейших физических характеристик, определяющая текстурные свойства продукта, а также скорость химических и биохимических реакций в нем [9]. Коэффициент активности воды оценивают как отношение давления водяных паров над исследуемым материалом к таковому над чистой водой при одной и той же температуре. Для нахождения данного отношения применяли прибор марки HygroPalmAw (Rotronic, Швейцария), оснащенный диэлектрическим датчиком влажности [10]. Работа датчика основана на изменении проводимости гигроскопичного полимера в зависимости от относительной влажности камеры [11]. Измерения велись в соответствии с общепринятой методикой [12]. В дальнейшем для досто-
верной интерпретации полученных данных дополнительно устанавливали влажность образцов методом высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу при 112 °С [13].
Данные, полученные в ходе эксперимента, и реологические кривые (рис. 1), построенные на их основе, описывают один цикл сжатия и в соответствии с рис. 2 позволяют определить следующие характеристики продукта: 1) работу, затрачиваемую на деформацию (работа 1) и совершаемую при релаксации (работа 2), а также - общую работу; 2) твердость образца; 3) начальную и конечную скорости релаксации; 4) модуль Юнга; 5) упругость [14].
Сила, необходимая для разжевывания продукта, характеризуется его жесткостью и равна пиковому значению кривой. Когезионная способность продукта определяет энергию межмолекулярных связей в нем и геометрически находится как сумма площадей, образуемых кривой и осью абсцисс до и после достижения пика жесткости. При этом первая из указанных площадей характеризует силу межмолекулярного сцепления относительно степени плотности исследуемого материала, а обратное отношение площадей - эластичность, т. е. способность продукта подвергаться значительным упругим деформациям без разрушения.
Более точные сведения об эластичности продукта дает модуль Юнга, рассчитываемый как отношение давления на образец к относительному изменению его линейного размера во время испытания. Построив касательные к начальной и конечной точкам участка, описывающего период релаксации, можно определить угол их наклона и рассчитать соответствующие скорости восстановления образцом своих размеров. Результаты проведенного анализа представлены в табл. 2.
Из полученных данных следует, что свойства образцов сильно разнятся в зависимости от состава. Так, образцы 3 и 8 по всем параметрам значительно превосходят контроль (образец 9, приготовленный на основе желатина), тогда как образцы 2 и 4 имеют лишь незначительно превышенные соответствующие характеристики. По совокупности своих свойств наиболее близок к контролю и уступает ему лишь в конечной скорости восстановления образец 1. Иначе ведет себя образец 7, по ряду свойств (работа, твердость, начальная скорость релаксации, модуль Юнга) уступающий контролю, а по некоторым - превосходящий его. Образцы 5 и 6 превосходят контроль по па-
раметрам работы и жесткости, примерно равны ему по начальной скорости восстановления и упругости, но значительно опережают контроль по конечной скорости восстановления и модулю Юнга.
Поскольку используемые в настоящей работе камеди относятся к нейтральным полисахаридам, сильные ионные и электростатические взаимодействия между их молекулами исключены [15]. Это находит подтверждение в относительно низкой энергии межмолекулярных связей, что в свою очередь наглядно демонстрируют величины работы, затрачиваемой на сжатие и совершаемой при релаксации образца. Из этого следует, что взаимодействие молекул происходит главным образом на уровне нековалентных ассоциаций с образованием слабых водородных и ван-дер-ваальсовых связей.
Скорость восстановления формы и размеров, различная на начальном и конечном этапах релаксации, отражает характер высокоэластической деформации образца как результата изменения конформации полужестких молекул полимера, находящихся
0 20 40 60 80 100 120
Длительность, с Рис. 1. Реологические кривые
Жсстаосгь
Работа 1/ \ Работ] а 2 / ' \
/ 1 \ Начальная
/ V / скорость
/ релаксации
Конечная
/ Полнач работа скорость
р«лаксацни
/ 1 1 1
Длительность, с Рис. 2. Текстурный анализ
Таблица 2
Текстурная характеристика экспериментальных образцов маршмеллоу
Параметр Порядковый номер рецептуры (см. табл. 1)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Работа на деформацию, Дж 0,11 0,18 0,32 0,18 0,14 0,13 0,06 0,21 0,11
Работа на релаксацию, Дж 1,95 3,18 5,58 3,27 2,59 2,30 1,23 3,75 1,96
Полная работа, Дж 2,06 3,35 5,90 3,45 2,73 2,43 1,29 3,96 2,08
Жесткость, г 214,68 353,43 637,40 352,12 274,44 265,61 125,49 425,74 226,16
Начальная ско-
рость восстановле- 43,40 51,15 42,43 25,80 27,40 10,74 48,96 26,27
ния, г / с 24,47
Конечная скорость восстановления, 3,65 1,78 3,71 0,78 2,03 2,03 1,00 4,24 0,80
г / с
Модуль Юнга, Па 2406,05 3961,10 7143,72 3946,42 3075,81 2976,85 1406,44 4771,52 2534,71
Упругость 18,04 17,94 17,47 18,49 18,79 17,22 19,48 17,59 17,14
в изогнутом или свернутом состоянии [16]. В соответствии с этим материал, демонстрирующий высокую скорость релаксации, имеет более упорядоченную структуру. Последнее свидетельствует и о степени синергизма между компонентами полимерной системы. Действительно, в экспериментальных результатах прослеживается хорошая корреляция между скоростью релаксации и жесткостью, которая говорит о количестве установившихся связей между молекулами ксантана и камеди рожкового дерева.
Как видно из табл. 2, другим следствием более плотной и равномерной текстуры является повышенный
модуль Юнга: полимерные сетки с большей концентрацией узлов характеризуются более высоким сопротивлением сжатию при упругой деформации. В то же время установленная в результате эксперимента эластичность материала дает представление о среднем расстоянии между узлами полимерной сетки, которое примерно равно во всех проанализированных образцах. Таким образом, по совокупности свойств наиболее подходящими в технологическом плане следует считать образцы, реологические кривые которых лежат на одном уровне либо выше кривой для контрольного образца
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ТЕМА НОМЕРА
Таблица 3
Коэффициенты активности воды и влажности (после стандартной сушки) исследуемых рецептур маршмеллоу
Образец Активность воды Влажность, %
1 0,6741+0,0040 20,42+0,0018
2 0,6813+0,0080 21,14+0,0040
3 0,6985+0,0102 22,85+0,0087
4 0,6893+0,0022 21,91+0,0110
5 0,7218+0,0017 25,16+0,0133
6 0,7221+0,0067 25,20+0,0026
7 0,7725+0,0050 29,27+0,0081
8 0,7773 + 0,0017 29,73 + 0,0183
9 (контроль) 0,6325+0,0070 18,00+0,0020
0.80
0.78
п
сг о 0.76
ш
ь 0.74
ос
н 0.72
s
< 0.70
0.68
0.66
i i • !'■ 0.01] 1.Г <-0.4+1» •
Щ-М971
20 22 24 26. 28 3(1
Влажность, %
Рис. 3. Зависимость активности воды от массовой доли влаги
на основе желатина. Данные по активности воды и влажности образцов приведены в табл. 3.
Как видно из табл. 3, все образцы могут быть отнесены к группе пищевых продуктов с промежуточной влажностью, так как активность воды в них больше 0,6 и меньше 0,9 [17]. В это же время из данных видна тесная корреляция между активностью воды и массовой долей влаги (влажностью).
Зависимость активности воды от массовой доли влаги аппроксимируется прямой (рис. 3). Известно, что в водных растворах моносахаридов и дисахаридов наибольшее снижение активности воды обеспечивает фруктоза. Менее выраженным действием обладают глюкоза и лактоза, а замыкает данный ряд сахароза [18]. Следует отметить, что в некоторой степени на характер зависимости активности воды от влажности также влияет массовое соотношение сахарозы и компонентов инвертного сахара. Это согласуется с известными данными о большей эффективности инвертного сахара по сравнению с сахарозой как компонента, снижающего активность воды [19]. При этом комбинация инвертного сахара и сахарозы обладает синергетическим эффектом и обеспечивает снижение
активности воды примерно на 85% по сравнению с использованием такого же количества только инвертного сахара при той же их концентрации. Обратное отношение перечисленных компонентов при той же концентрации позволяет снизить активность воды примерно на 35%. Внесение же различных количеств полисахаридов практически не влияет на активность воды в системе [20].
Таким образом, полученный профиль текстурного анализа дает представление о степени влияния состава продукта на его вязко-упругие свойства, изменяющиеся в широком диапазоне. Как следует из полученных данных, наиболее качественной и упорядоченной структурой обладает образец 3, что делает его наиболее перспективной альтернативой марш-меллоу на основе желатина.
Исследования влажности и активности воды в восьми отобранных рецептурах с различным соотношением ксантана и растительных камедей позволяют отнести соответствующие образцы к классу продуктов с промежуточной влажностью. Кроме того, между исследованными величинами обнаружена тесная корреляция, а также выявлен синергетический эффект между сахарозой и инверт-ным сахаром, приводящий к резкому снижению активности воды. С другой стороны, заметного влияния различных концентраций полисахаридов на активность воды в конечном продукте не отмечено.
В свою очередь данные, полученные в ходе изучения вязко-упругих свойств, показывают, что с точки зрения текстуры наиболее близким к контролю является образец 1. Образцы 2-6 и 8 по совокупности текстурных характеристик превосходят контроль, тогда как образец 7 уступает ему. Таким образом, на основании полученных данных можно говорить о том, что желатин в жевательном суфле маршмеллоу может быть успешно заменен на комбинацию ксантана с гуаровой камедью или камедью рожкового дерева.
Рассмотренные в статье данные в настоящее время проходят процедуру патентования, на что получена приоритетная справка № 2015142590.
Авторы выражают благодарность канд. техн. наук, доценту Саратовского государственного аграрного университета Е. В. Фатьянову за помощь в проведении эксперимента и обсуждении результатов по активности воды в изучаемых системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kaletunc, G., Normand, M.D., Johnson, E.A., & Peleg, M. (1991). Instrumental
determination of elasticity of marshmallow. Journal of Texture Studies, 23, 47-56.
2. Schrieber, R., &Gareis, H. (2007). Gelatine Handbook. Theory and Industrial Practice. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
3. Shabani, H., Mehdizadeh, M., Mousavi, S. M., Dezfouli, E. A., Solgi, T., Khodaverdi, M., Rabiei, M., Rastegar, & H., Alebouyeh, M. (2015). Halal authenticity of gelatin using species-specific PCR. Food Chemistry, 184, 203-206.
4. Milani, J. &Maleki, G. (2012). Hydrocolloids in Food Industry, Food Industrial Processes - Methods and Equipment, Dr. Benjamin Valdez (Ed.). Rijeca: InTech.
5. Minifie, B.W. (1989). Chocolate, cocoa, and confectionery: science and technology. NewYork: Van Nostrand Reinhold.
6. Птичкин, И. И. Пищевые полисахариды: структурные уровни и функциональность/И. И. Птичкин, Н. М. Птички-на. - Саратов: ГУП «Типография № 6», 2012. - 96 с.
7. Kaszab, T., Csima, G., Lambert-Meretei A., &Fekete A. (2011). Food Texture Profile Analysis by Compression Test. CNEUCOOP International Conference 2011.
8. Kilcast, D. (2013). Instrumental assessment of food sensory quality. A Practical guide. Cambridge: Woodhead Publishing Limited.
9. Rahman, M.S. (2007). Handbook of food preservation. Boca Raton: CRC Press.
10. Алейников, А. К. Исследование активности воды криоскопическим и ги-грометрическим методами/ А. К. Алейников, Е. В. Фатьянов, И. В. Мокрецов // Разработка и широкая реализация современных технологий производства, переработки и создания пищевых продуктов: Материалы Международной научно-практической конференции. -Волгоград: Волгоградский государственный технический университет. - 2009. -С. 291-294.
11. Barbosa-Cánovas, G.V., Fontana, A.J., Jr., Schmidt, S.J., &Labuza, T.P. (2007). Water activity in foods: fundamentals and applications. Oxford: Blackwell Publishing and the Institute of Food Technologists.
12. ГОСТ Р ИСО 21807-2012. Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных. Определение активности воды. - Введ. 2013-07-01. - М.: Стан-дартинформ, 2013. - 12 с.
13. ГОСТ 5900-73. Изделия кондитерские. Методы определения влаги и сухих веществ. - Введ. 1975-01-01. - М.: Стандартинформ, 2012. - 10 с.
14. Bourne, M.C. (2002). Food texture and Viscosity: Concept and Measurement. London: Academic press.
15. Phillips, G. O., & Williams, P. A.
(2009). Handbook of hydrocolloids. Cambridge: Wood head Publishing Limited.
16. Гликман, С. А. Введение в физическую химию высокополимеров/С. А. Гликман. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1959. - 380 с.
17. Фатьянов, Е. В. Значение показателя «активность воды» в технологии продуктов животного происхожде-ния/Е. В. Фатьянов // Пища. Экология.
Качество: Труды XII Международной научно-практической конференции. -Новосибирск: ООО «Ареал». - 2015. -С. 343-348.
18. Фатьянов, Е. В. Зависимость активности воды от концентрации соли и углеводов/Е. В. Фатьянов, А. В. Евтеев, Р. Е. Те // Научное обозрение. - 2011. -№ 5. - С. 69-74.
19. Karel, M. (1974). Physico-Chemical Modification of the State of
Water on Foods-ASpeculative Survey. Waterrelations of food. Proceedings of an International Symposium held in Glasgow, September 1974. New-York: Academic Press.
20. Жаринов, А. И. Активность воды в водных гелях пищевых гидроколлоидов/ А. И. Жаринов, Л. Ф. Ми-тасева, К. Г. Спасский, С. Г. Юзов // Мясная индустрия. - 2009. - № 12. -С. 27-29.
Изучение вязко-упругих свойств и активности воды в маршмеллоу на основе полисахаридов растительного и микробного происхождения
Ключевые слова
активность воды; гуаровая камедь; желатин; камедь рожкового дерева; ксантан; маршмеллоу; текстурный анализ
Реферат
Желатин - уникальный гидроколлоид, играющий ключевую роль в производстве ряда кондитерских изделий. Его отличительное свойство заключается в способности одновременно давать эластичный гель и устойчивую пену. Тем не менее, использование желатина часто ограничено вследствие его животного происхождения, что может быть неприемлемым по религиозным причинам или диетическим предпочтениям. В свете этих фактов для замены желатина предпринимались попытки использовать полисахариды, главным образом йота-каррагинан, однако его практическая ценность лимитирована высокой стоимостью. В настоящей работе мы изучали возможность получения экономически эффективных заменителей желатина в маршмеллоу путем использования бинарных систем, состоящих из полисахаридов растительного и микробного происхождения. Маршмеллоу -аэрированное кондитерское изделие, популярное во всем мире и имеющее характерную мягкую, упругую текстуру. В качестве структурообразующих полисахаридов в нашем исследовании использовались камедь (гуаровая и рожкового дерева), а также ксантан в сочетании с достаточным количеством протеина для получения пены при взбивании. Экспериментальные образцы были подвергнуты органолептической оценке и в дальнейшем наиболее перспективные из них были исследованы в сравнении с традиционным маршмеллоу путем инструментального измерения анализа текстуры, содержания и активности воды. Наилучшие результаты были получены при использовании синергетических комбинаций 0,8% ксантана с 0,7% гуаровой камеди и 0,64% сывороточного либо яичного белка. Конечные продукты сравнимы по качеству и текстуре с традиционным маршмеллоу на основе желатина, однако при этом могут использоваться в вегетарианских системах питания, а также в диетах кошер и халяль.
Study of the Viscoelastic Properties and Water Activity in the Marshmallow, Based on Polysaccharides of Plant and Microbial Origin
Key words
water activity; guar gum; gelatin; locust bean gum; xanthan; marshmallow; texture analysis
Abstracts
Gelatin is a unique hydrocolloid, playing a crucial role in the production of many kinds of confectionery. Its distinctive feature is that it can simultaneously form elastic gels and stable foams. However, the use of gelatin is often limited by its animal origin, which can be unacceptable for religious reasons or dietary preference. Attempts have therefore been made to use polysaccharides, notably iota carrageenan, for replacement of gelatin, but its practical value is limited by cost. In the present work we have explored the possibility of obtaining economically-viable substitutes for gelatin in marshmallow, by using binary mixtures of plant and bacterial polysaccharides. Marshmallow is an aerated confectionery product popular worldwide, and has a characteristic soft, springy texture. The polysaccharides evaluated as structuring agents in our research were guar gum, xanthan and locust bean gum, in combination with sufficient protein to produce foams on whipping. Trial products were screened by organoleptic assessment and the most promising were characterized further, in comparison with traditional marshmallow, by instrumental measurements of texture, moisture content and water activity. Best results were obtained using synergistic mixtures of 0.8 % xanthan and 0.7 % guar gum, with 0.64% of either whey protein or egg albumen. The resulting products were comparable in quality and texture to conventional gelatin-based marshmallow, but have the major advantage of being acceptable in vegetarian, kosher and halal diets.
Авторы
Кодацкий Юрий Анатольевич, канд. с.-х. наук, Клюкина Оксана Николаевна, канд. техн. наук, доцент, Неповинных Наталия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, Птичкина Наталия Михайловна, д-р хим. наук, профессор, Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова, 410012, г. Саратов, Театральная пл., д. 1, [email protected]
Шмаков Сергей Львович, канд. хим. наук, доцент, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83, [email protected] Еганехзад Самира, канд. хим. наук, доцент, Кадкходаи Рассул, канд. хим. наук, доцент, Научно-исследовательский институт пищевых технологий, Иран, Мешхед, [email protected]; [email protected]
Authors
Kodatsky Yuriy Anatolyevich, Candidate of Agricultural Science, Klyukina Oksana Nikolaevna, Candidate of Technical Science, Docent, Nepovinnykh Nataliya Vladimirovna, Candidate of Technical Science, Docent,
Ptichkina Nataliya Mikhaylovna, Doctor of Chemical Science, Professor, Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov, 1, Teatralnaya Pl., Saratov, 410012, [email protected] Shmakov Sergey Lvovich, Candidate of Chemical Science, Docent, National Research Saratov State University named after N. G. Chernyshevsky, 83, Astrakhanskaya St., Saratov, 410012, [email protected]
Eganekhzad Samira, Candidate of Chemical Science, Docent, Kadkhodai Rassul, Candidate of Chemical Science, Docent, Research Institute of Food Technologies, Iran, Mashhad, [email protected]; [email protected]
