CC BY
33
ЕРА
1" V ■ ■Г. '-
РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ
©
м:
__ ^ Я
У " * \
х
и продукты его переработки
К
, -г
,4Г
УДК664. 8 . 022 . 6 . :53 . 043
Модификация свойств
пшеничной клетчатки
совместным действием ферментации и электрического тока
Т. Н. Данильчук, д-р техн. наук, Г. Г. Абдрашитова, канд. техн. наук, доцент Московский государственный университет пищевых производств И. А. Рогов, д-р техн. наук, академик РАН
Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В. М. Горбатова
В настоящее время одной из тенденций развития пищевой индустрии является разработка новых продуктов питания с использованием добавок препаратов нерастворимых пищевых волокон (НПВ), содержащих целлюлозы, лигнин и некоторые виды гемицеллюлоз. Основными свойствами НПВ, определяющими их технологическую значимость, являются высокая влаго- и жиросвязывающая способность, высокая дисперсионная и термостабильность, инертность в отношении других компонентов рецептуры, холодорезисторность. В хлебопекарной, молочной и мясной отраслях добавлением НПВ решается
технологическая задача формирования стабильности и необходимых реологических свойств пищевых дисперсных систем, улучшается вкус и аромат готовых изделий, увеличивается выход продукции.
Кроме того, НПВ представляют собой балластные вещества, которые, согласно концепции здорового питания, оказывают физиологическое воздействие на процессы, связанные с функционированием желудочно-кишечного тракта, и, таким образом, способствуют улучшению состояния здоровья. Введение НПВ в состав пищевых композиций повышает биологическую ценность продуктов пи-
тания и позволяет придать им диетическую и лечебно-профилактическую направленность. В этой связи перспективным направлением является разработка способов, позволяющих модифицировать функционально-технологические свойства НПВ с учетом особенностей отдельно взятого технологического процесса.
В частности, в мясной индустрии в основном используют микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), получаемую химической деструкцией древесного и травянистого сырья, и натуральные растительные волокна - клетчатку, выделяемую из пшеничных и ржаных отрубей, оболочек плодов бобовых культур, овощей и других видов растительного сырья с применением современных экологически чистых технологий. Особенностью МКЦ является высокое содержание упорядоченной части с кристаллографической ориентацией макромолекул и значительным нарушением характерной фибриллярной структуры поверхности волокон. МКЦ обладает высокой удельной поверхностью и уникальной способностью образовывать устойчивые тиксотроп-ные гидрогели [1]. Проведено много исследований свойств МКЦ, и она все еще остается перспективным материалом для мясной индустрии. МКЦ используют при изготовлении вареных или полукопченых колбас,
Таблица 1
Общий химический состав и функционально-технологические свойства контрольного образца пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200»
Значения контрольного образца
Контрольный образец Влага, % Зола, % ВСС, % pH Степень набухания, %
Нативная гидратиро-ванная клетчатка 90 0,3 93,3 6,0 580,3
в сухом виде или в составе белково-жировых эмульсий, что позволяет частично заменить мясное сырье, увеличить выход продукта и получить дополнительный технологический эффект - повышение устойчивости пищевой композиции.
Клетчатка представляет собой препарат нового поколения с высоким содержанием целлюлозы, гемицел-люлозы и лигнина. Волокна клетчатки способны образовывать трехмерные пространственные сети, благодаря чему отдельные молекулы воды связываются в нерастворимую сеть, что приводит к улучшению структуры продукта и его механической стабильности. Клетчатка оказывает не только стабилизирующее действие на свойства пищевых дисперсных систем, но и улучшают вкусовые качества готового продукта. В последнее время расширяется использование препаратов на основе клетчатки в качестве замены мясного сырья, стабилизаторов и эмульгаторов фаршевой эмульсии и для производства низкокалорийных мясопродуктов [2, 3].
Перспективным является изыскание альтернативных способов получения НПВ, например путем использования прокариотов из рода Gluconacetobacter в качестве продуцентов бактериальной целлюлозы (БЦ) [4, 5]. В работе [6] проведено исследование возможности использования препарата БЦ, полученной культивированием штамма СШсопасеОЬасЛегЬапзепп 6И-1/2008, в качестве наполнителя при производстве вареных колбас. Установлено, что добавление БЦ положительно влияет на технологические свойства мясного фарша. Проведено также сравнение некоторых показателей образцов вареных колбас с наполнителями БЦ и РЦ (растительная целлюлоза). Выявлено, что у продукта с БЦ консистенция, сочность, аромат, вкус, цвет лучше, чем у продукта с РЦ. Скорее всего, это связано с различиями в размерах макромолекул целлюлозы, синтезируемой растениями и микроорганизмами, а также с различиями в структуре макрофибрилл БЦ и РЦ [7, 8]. В настоящее время идет разработка эффективных продуцентов БЦ и биотехнологии на их основе, но в промышленном масштабе БЦ, в отличие от РЦ, для производства в России продуктов питания пока не используется. В связи с этим актуальным является разработка способов улучшения функционально-технологических свойств РЦ различного происхождения, в частности, клетчатки.
Распространенным технологическим приемом, позволяющим моди-
фицировать свойства растительного сырья, является ферментативный гидролиз биополимеров. Процесс ферментации можно интенсифицировать, если дополнительно воздействовать низкими дозами физических факторов, например пропусканием тока в электроконтактном режиме (ЭК-обработка). В отличие от воздействия электромагнитных полей ЭК-способ энергоподвода не подразумевает ограничений размеров обрабатываемого продукта, которые обусловлены глубиной проникновения электромагнитного поля в продукт. Важно только обеспечить хороший контакт сырьевой массы с электродами [9]. Эффективность использования ЭК-обработки для усиления активности гидролитических ферментов показана авторами в экспериментах по проращиванию ячменя на солод [10].
Цель исследования - разработка способа модификации функционально-технологических свойств растительной клетчатки с применением обработки сырьевой массы ферментами при пропускании электрического тока низкой мощности.
В качестве объекта исследования взят порошок пшеничной клетчатки «Витацель WF 200». Пшеничную клетчатку торговой марки «Витацель», содержащую суммарно до 99,0% целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, получают из колосистой части пшеницы особым физико-термическим способом. Производитель - фирма «Могунция» (Германия). «Витацель WF 200» добавляют в мясные фарши для загущения, облегчения формовки, сохранения влаги в продукте при термообработке и в цикле заморозка / разморозка. Экспериментально доказано, что капиллярно-волокнистая структура клетчатки «Витацель» обеспечивает высокое влагоудержание, поэтому препараты этой серии обладают значительной сорбционной емкостью, высокой степенью набухания, повышенной вла-гоудерживающей и эмульгирующей способностью [11].
Ферментацию клетчатки «Витацель WF 200» проводили с использованием ферментного комплекса LAMINEX®BGGlukanaseComplex,
расщепляющего ß-глюканы, пен-тозаны и смежные углеводы, разбавленного до концентраций 0,1 и 0,05% соответственно. LAMINEX®BGGlukanaseComplex получают в результате ферментации штамма Trichodermareesei, одобренного для применения в пищевой промышленности в большинстве стран.
Клетчатку предварительно гидра-тировали в соотношении 30% клетчатки и 70% раствора ферментного препарата. ЭК-обработку проводили переменным током на начальной стадии ферментации при мощности Муд = 1-10-4 Вт/кг, длительности воздействия 15 мин и при частотах, выявленных в экспериментах по проращиванию ячменя [12] как наиболее эффективные: f = 200 и 5000 Гц соответственно. Для проведения экспериментов использовали специально сконструированную электрохимическую ячейку. Общее время экспозиции всех образцов для гидролиза клетчатки составляло 4,5 ч. Действие фермента инактивировали путем нагрева.
Массовую долю влаги в образцах устанавливали путем высушивания навески в сушильном шкафу при 150 °С до постоянной массы. Общее содержание минеральных веществ определяли озолением навески в муфельной печи при 500-800 °С. Степень набухания вычисляли по относительному количеству воды, поглощенной за фиксированное время навеской образца. Для определения водосвязывающей способности (ВСС) использовали метод Грау в модификации ВНИИМП, основанный на расчете количества свободной и слабосвязанной влаги, выделяющейся из образца при легком его прессовании. Величину рН измеряли потенциометрическим методом в водной вытяжке, приготовленной 1:10, на рН-метре HANNA HI 98103. Анализ содержания жира проводили в соответствии с ГОСТ 23042-86 путем многократной экстракции жира на аппарате Сокслета растворителем из подсушенной навески образца с последующим удалением растворителя и высушиванием жира до постоянной массы. Липкость (способ-
РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ И ПРОДУКТЫ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
ТЕМА НОМЕРА
Таблица 2
Общий химический состав и функционально-технологические свойства пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200» после воздействия препарата LAMINEX®BGGlukanaseComplex
№ образца Концентрация препарата, % Влага, % Зола, % ВСС, % рн Степень набухания, %
1 0,1 68,63 0,3 98,2 5,0 743,3
2 0,05 70,02 0,3 96,6 5,1 615,9
Таблица 3
Общий химический состав и функционально-технологические свойства пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200» после воздействия препарата LAMINEX®BGGlukanaseComplex и пропускания электрического тока
№ образца Частота тока, Гц Влага, % Зола, % ВСС, % рн Степень набухания, %
Концентрация препарата с = 0,1%
3 5000 66,56 0,3 99,5 5,3 831,0
4 200 71,51 0,4 98,8 5,0 765,3
Концентрация препарата с = 0,05%
5 5000 63,55 0,5 99,4 5,4 819,2
6 200 65,47 0,5 99,3 5,2 750,6
Таблица 4
Функционально-технологические свойства пищевых композиций из фарша голени индейки и модифицированной клетчатки «ВитацельWF 200»
Доза введения модифицированной клетчатки, мас% рН фарша Влага, % ВСС, % Содержание минеральных веществ, % Содержание жира, % Липкость, г/ см2
Контроль 6,05 71,0 75,8 4,1 1,3 0,067
1.0 6,0 72,9 79,9 3,9 2,3 0,070
2.0 5,86 73,4 81,0 3,9 2,0 0,075
3.0 5,95 74,5 84,4 3,9 0,5 0,077
4.0 5,99 77,3 87,9 4,1 2,0 0,081
ность мелкозернистых материалов при определенной влажности удерживаться на поверхности других тел) определяли по силе отрыва штампа от поверхности материала.
В качестве контрольного рассматривали образец нативной гидра-тированной (в соотношении 30 % клетчатки и 70% воды) «ВитацельWF 200», общий химический состав и функционально-технологические свойства которого представлены в табл. 1.
Результаты исследования общего химического состава и функционально-технологических свойств образцов пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200», модифицированных ферментацией, приведены в табл. 2.
Сравнение данных, представленных в табл. 1 и 2, показывает, что в результате ферментативного гидролиза пшеничной клетчатки увеличивается степень набухания и ВСС, что важно при использовании клетчатки в ка-
честве наполнителя. Зависимость функционально-технологических свойств «ВитацельWF 200» от примененной дозы препарата носит разноплановый характер и свидетельствует о нецелесообразности применения ферментных препаратов в высоких дозах.
Результаты исследования общего химического состава и функционально-технологических свойств пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200», модифицированной совместным действием фермента и низкоинтенсивной ЭК-обработки, приведены в табл. 3. Из таблицы видно, что пропускание тока на начальной стадии ферментативного процесса усиливает действие ферментного препарата в течение всего процесса обработки, что приводит к получению препарата с улучшенными функционально-технологическими свойствами. При этом наиболее эффективным является воздействие переменным током крайне низкой
мощности с частотой 1 = 5000 Гц.
При снижении концентрации фермента до 0,05 % в комплексе с ЭК-обработкой (табл. 3) не происходит существенного ухудшения функционально-технологических свойств клетчатки. Показатели образца «ВитацельWF 200», модифицированного совместным действием препарата LAMINEX®BGGlukanaseComplex с концентрацией 0,05% и низкоинтенсивной ЭК-обработки при 5000 Гц (образец 5) не хуже, а по некоторым позициям (набу-хаемость, ВСС) лучше, чем образца, подвергнутого ферментации при с = 0,1 % (образец 1). Таким образом, ЭК-обработка не только усиливает действие фермента, но и позволяет уменьшить расход ферментного препарата и тем самым удешевить производство мясных продуктов с ферментированной клетчаткой.
Представляло интерес изучить также функционально-технологические свойства пищевых композиций на основе мясного фарша с добавлением модифицированной совместным действием ферментации и ЭК-обработки пшеничной клетчатки «ВитацельWF 200». Для изготовления фарша использовали мясо индейки. Мясо этой птицы - источник качественного белка. Мясо индейки легко усваивается, поскольку полноценных белков в нем содержится больше, чем соединительных волокон, и является диетическим продуктом.
Клетчатку гидратировали раствором LAMINEX®BGGlukanaseComplex при с = 0,05% и на начальной стадии ферментации обрабатывали пропусканием электрического тока описанным выше способом при частоте воздействия 1 = 5000 Гц. Продолжительность ферментативного гидролиза клетчатки составляла 4,5 ч.
Результаты экспериментов показали, что увеличение дозы введения модифицированной клетчатки (табл. 4) приводит к улучшению функционально-технологических свойств фарша, особенно по таким важным технологическим показателям, как ВСС, массовая доля влаги, липкость.
Использование в качестве наполнителя модифицированной клетчатки позволяет решить проблему, связанную с тем, что обычно повышение дозы введения НПВ более чем на 2 % ухудшает консистенцию продукта и может привести к нарушению вкусовых и ароматических свойств. Поэтому
актуальным является увеличение содержания клетчатки в мясных продуктах без ухудшения их структуры и качества.
Однако, несмотря на все полезные физико-химические и биологические свойства пищевых волокон, при разработке практических рекомендаций необходимо учитывать не только аспект, связанный с улучшением потребительских свойств готовых мясных продуктов, обогащенных растительными волокнами, но и то, что высокий процент содержания НПВ в продукте может превысить рекомендуемый уровень потребления, установленный Институтом питания РАН.
Таким образом, совместным действием цитолитических ферментов и электрического тока можно получить на основе пшеничной клетчатки наполнитель с улучшенными функционально-технологическими свойствами, добавление которого в мясной фарш обеспечивает повышение качества готового продукта, а также позволяет более эффективно использовать дорогостоящее мясное сырье за счет большего его выхода.
Работа выполнена по гранту НШ-5543.2014.4 Президента РФ по поддержке ведущих научных школ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аутлов, С. А. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства и области применения (обзор)/ С. А. Аутлов, Н. Г. Базарнова, Е. Ю. Кушнир // Химия растительного сырья. - 2013. - № 3. - С. 33-41.
2. Рогов, И. А. Биотехнология мяса и мясопродуктов: курс лекций/И. А. Рогов [и др.]. - М.: 2009. - 296 с.
3. Мастрюкова, М. В. Морковная и свекольная клетчатка как обогатитель функциональных мясных продуктов пищевыми волокнами/М. В. Мастрюкова [и др.] // Успехи современного естествознания. -2011. - № 7 - С. 153-153.
4. Shoda, M. Recent advances in bacterial cellulose production/M. Shoda, Y. Sugano // Biotechnology and Bioprocess Engineering. - 2005. -V. 10. - Р. 1-8.
5. Патент RU 2464307 C1. Штамм бактерии Gluconacetobacterhansenii GH-1/ 2008 - продуцент бактериальной целлюлозы. - Опубл. 20.10.2012. Бюл. № 29.
6. Фан Ми, Хань. Перспективы бактериальной целлюлозы как пищевой
добавки в мясопродуктах/Фан Ми Хань [и др.] // Мясная индустрия. - 2013. -№ 4. - С. 32-35.
7. Czajia, W. Microbial cellulose - the natural power to heal wounds/W. Czajia [et al.] // Jr. Biomaterials. - 2006. -V. 27. - P. 145-151.
8. B i e i e c ki, S. Bacterial cellulose/ S. Bielecki, A. Krystynowicz, H. Kalinowska. - Institute of Technical Biochemistry, Technical University of Lodz, Stefanowskiego, 2005. - P. 41.
9. Рогов, И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. Методические указания к лабораторно-практическим занятиям/ И. А. Рогов [и др.]. - М., 2010. - 29 с.
10. Данильчук, Т. Н. Электроконтактная обработка в технологии проращивания ячменя на солод / под ред. академика РАН И. А. Рогова. - М., 2013. - 144 с.
11. Прянишников, В. В. Пищевые волокна «Витацель» в мясной отрасли/В. В. Прянишников // Мясная индустрия. - 2006. - № 9. - С. 43-45.
12. Данильчук, Т. Н. Задача кластеризации экспериментальных данных по электроконтактной обработке зерна/Т. Н. Данильчук, В. И. Карпов, С. А. Чечулин // Хранение и переработка сельхозсырья. -2011. - № 3. - С. 24-28.
Модификация свойств пшеничной клетчатки совместным действием ферментации и электрического тока
Ключевые слова
пищевые волокна; пшеничная клетчатка; ферментативный гидролиз; электроконтактная обработка
Реферат
Экспериментально доказана эффективность применения низкоинтенсивной электроконтактной (ЭК) обработки для усиления ферментативного гидролиза растительной клетчатки при целенаправленной модификации ее свойств. Модификации подвергали пшеничную клетчатку «Витацель WF 200», используемую в качестве наполнителя в производстве мясных продуктов. Ферментацию проводили обладающим цитолитической активностью препаратом LAMINEXввGGlukanaseComplex, разбавленным до концентраций 0,1 и 0,05%. ЭК-обработку осуществляли пропусканием через гидратированную клетчатку переменного тока при частотах 200 и 5000 Гц и удельной мощности W = 1-10-4 Вт/кг на начальной стадии ферментации. В статье приведено сравнение функционально-технологических свойств нативной клетчатки, клетчатки после ферментации и клетчатки, модифицированной совместным действием фермента и электрического тока. Показано положительное влияние ЭК-обработки на ход ферментативного процесса. Клетчатка, модифицированная совместным действием фермента и электрического тока, значительно превосходит нативную по таким показателям как степень набухания и водосвязывающая способность. Предпочтительнее использовать воздействие переменным током частотой 5000 Гц. Полученная после такой обработки клетчатка является более эффективным наполнителем, введение которого в мясной фарш приводит к значительному улучшению функционально-технологических свойств фарша, особенно по таким важным для мясных технологий показателям, как водосвязывающая способность, массовая доля влаги и липкость, что обеспечивает повышение качества продукции и позволяет экономить дорогостоящее мясное сырье за счет большего выхода готового продукта. Использование в качестве наполнителя клетчатки, модифицированной совместным действием фермента и электрического тока, позволяет увеличить дозу вводимого наполнителя без ухудшения консистенции, вкусовых и ароматических свойств мясных продуктов.
Авторы
Данильчук Татьяна Николаевна, д-р техн. наук, Абдрашитова Галина Газизовна, канд. техн. наук, доцент
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское ш., д. 11, [email protected] Рогов Иосиф Александрович, д-р техн. наук, академик РАН Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В. М. Горбатова, 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 26, [email protected]
Modification of the Wheat Fiber Propertiesby Joint Enzymes and Electric Current Processing
Key words
food fiber, wheat fiber, enzymatic hydrolysis, electro contact treatment Abstracts
Experimentally proved the effectiveness of low-intensity electrocontact (EC) treatment to enhance vegetative fiberenzymatic hydrolysis in order to modifytheirproperties. Used as filler in the manufacture of meat products wheat fiber «VITACEL WF 200»were subjected tomodification. The fermentation was carried out by enzymatic complex with cytolytic activity (LAMINEX®BG Glukanase Complex), which was diluted to a concentration of c = 0,1% and c = 0.05%.EC treatment was performed by alter alternating current passing through the hydrated wheat fiber at frequencies f = 200 Hz and f = 5000 Hz and the power density W = H0-4 W/ kg at the initial stage of enzymes processing. The article presents the comparison of the functional and technological properties of native wheat fiber, wheat fiber after enzymes processing and wheat fiber, modified by joint enzymes and electric current processing. It is shown a positive effect of the EC treatment onthe enzymatic process. Wheat fiber, modified by joint enzymes and electric current processing greatly exceeds the native wheat fiber by such indicators as the degree of swelling and water binding capacity. It is preferable to use processing by electric current with frequency f = 5000 Hz. The wheat fiber, obtained after such processing, is a more effective meat products filler. The introduction of this filler into the mincemeat leads to a significant improvement of the mincemeat functional and technological properties, especially such as water binding capacity, water mass content and stickiness. It is very important for meat technology because it to give the possibility to product quality improved and to saves costly raw meat due to increase of finished product outlet. The use of the wheat fiber, modifiedby joint enzymes and electric current processing, allows to increasein product the filler amount without degradation of the consistency, the flavor and aromatic properties of meat products.
Authors
Danilchuk Tatyana Nikolaevna, Doctor of Technical Science, Abdrashitova Galina Gazizovna, Candidate of Technical Science
Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoye Shosse, Moscow, 125080, [email protected]
Rogov losif Alexandrovich, Doctor of Technical Science, Academician of RAS Gorbatov's Research Institute of Meat Industry, 26, Talalikhina St., Moscow, 109316, [email protected]
