CC BY
327
УДК 664.6/.7
Н.А. Шмалько, И.А. Чалова, Н.А. Моисеенко, Н.Л. Ромашко
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА АМАРАНТА
Работа посвящена исследованию микроструктуры и химического состава перспективных в пищевом отношении видов сырья - продуктов переработки зерна амаранта. В ходе экспериментальных исследований установлено, что наиболее ценным сырьем для хлебопекарного производства среди продуктов переработки зерна амаранта является амарантовая белковая полуобезжиренная мука.
Продукты переработки зерна амаранта, хлебопекарное производство, микроструктура, химический состав.
Введение
В последние годы на мировом рынке появился новый источник сырья для пищевой промышленности - зерно амаранта и продукты его переработки, обладающие ценным химическим составом и безопасностью, высокой пищевой и биологической ценностью, содержащие широкий спектр физиологически функциональных пищевых ингредиентов, что определяет перспективы их использования в технологии пищевых производств [1].
С целью определения целесообразности применения продуктов переработки зерна амаранта в хлебопечении в сочетании с традиционной хлебопекарной мукой исследовали их микроструктуру и химический состав. Объектами исследования явились продукты размола зерна амаранта (хлопья нативные, крупка полуобезжиренная, крупка крахмалистая, отруби белковые полуобезжиренные) и различные виды сортовой амарантовой муки (цельносмолотая полножирная, белковая полуобезжиренная, нативная).
По данной технологии хлопья амаранта (выход 53-56 %), отделяемые при плющении зерна амаранта, измельчают для производства амарантовой нативной муки (выход 82-88 %). Оставшаяся фракция после плющения зерна амаранта (28-35 %) - крупка зародышевая нативная подвергается обезжириванию для получения амарантового масла, после чего применяется для помола в белковую полуобезжиренную муку (выход 75-82 %) и отделения фракции белковых полуобезжиренных отрубей (выход 18-25 %) [2].
Объекты и методы исследований
Микроструктуру продуктов переработки зерна амаранта (увеличение в 500 крат) исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM 7500F в режиме детектирования вторичных (режим SEI) и отраженных (режим LEI) электронов, для чего каждую пробу зернопродукта наклеивали на прибородержатель микроскопа с помощью токопроводящей пасты и покрывали слоем металлической меди толщиной не более 100 нм с помощью термического вакуумного напыления.
Химический состав сырья определяли стандартными и общепринятыми методиками, при этом содержание витаминов и минеральных веществ исследовали методом капиллярного электрофореза на
приборе «Капель-103Р», за исключением фосфора и железа, анализируемых спектрометрическим методом с использованием индуктивно-связанной плазмы на приборе Optima 2100. Количество клетчатки оценивали методом высушивания до постоянной массы в СВЧ-минерализаторе. Аминокислотный состав исследовали методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-103Р», сущность которого заключается в разделении анионных форм N-фенилтиокарбамилпроизводных аминокислот под действием электрического поля вследствие их различной электрофоретической подвижности.
Результаты и их обсуждение
При изучении микроструктуры продуктов зерна амаранта установлено, что амарантовые нативные хлопья представляют собой конгломерат частиц эндосперма в виде пластин с плотной монолитной многослойной структурой белково-крахмальнолипидного комплекса, в который вмонтированы как отдельные нативные зерна крахмала, покрытые прикрепленным белком, так и зерна крахмала, поврежденные в ходе механической обработки (рис. 1). В клетках хлопьев имеется сравнительно мало углублений от выпавших зерен крахмала, воздушных по-
лостей и микротрещин наряду с присутствием большого количества оболочек.
Рис. 1. Амарантовая нативная крупка
Для частиц амарантовой зародышевой полу-обезжиренной крупки характерна очень рыхлая
слоистая структура, состоящая из конгломератов белка и поврежденных крахмальных зерен с большим количеством воздушных пустот и микротрещин. Подобное строение частиц определяет высокую удельную поверхность белково-крахмального матрикса и, вероятно, его повышенную водопоглотительную способность и доступность действию экстрагентов или ферментов (рис. 2).
Рис. 2. Амарантовая зародышевая полуобезжиренная крупка
Амарантовые белковые полуобезжиренные отруби состоят из многоугольных ассоциатов, содержащих частицы белкового матрикса с поврежденными крахмальными зернами, со значительным количеством воздушных пустот и оболоченных частиц, обогащенных пищевыми волокнами (рис. 3). Очевидно, что строение частиц отрубей, имеющее большое сходство с частицами крупки, будет обусловливать и схожие состав и свойства. Для обоих видов зернопродуктов характерна разрушенная структура белково-крахмально-липидного комплекса за счет проведения соответствующей механической и экстракционной обработки сырья при плющении зерновки амаранта, получении амарантового масла и помоле белковой муки.
Рис. 3. Амарантовые белковые полуобезжиренные отруби
Микроструктура традиционной хлебопекарной муки - пшеничной первого сорта и ржаной обдирной значительно отличается от микроструктуры сортовой амарантовой муки: белковой, нативной и цельносмолотой. Для клеток пшеничной муки (рис. 4) характерно наличие рыхлой, частично разрушеной белковой матрицы, содержащей частицы промежуточного белка (цвикельпротеина) и друз - фрагментов клеток эндосперма зерна пшеницы, в которые «вмонтированы» по всей поверхности зерна крахмала шарообразной формы размером порядка от 3 до 60 мкм. Сцепление зерен крахмала осуществляется за счет наличия между ними прикрепленного белка. В белковой матрице имеются углубления от выпавших зерен крахмала, воздушные полости, микротрещины, частицы эндосперма с оболочкой.
Рис. 4. Мука пшеничная первого сорта
Ржаная обдирная мука (рис. 5) отличается от пшеничной муки большим содержанием фракций мелкозернистого крахмала размером не более 20 мкм, прикрепленных к тонкослойной рыхлой белковой матрице с включением пластинок промежуточного белка и клеток эндосперма с оболочкой.
Рис. 5. Мука ржаная обдирная
Микроструктура клеток сортовой амарантовой муки всех видов отличается от традиционной пшеничной или ржаной муки наличием сложных многоугольных ассоциатов, соединенных в плотную структуру, и мелкозернистого крахмала. Наиболее компактное расположение частиц промежуточного белка характерно для белковой муки, формируемой из частиц перисперма зерна амаранта, отчетливо различается и волокнистая структура прикрепленного белка амаранта (рис. 6).
Рис. 6. Амарантовая белковая полуобезжиренная мука
Для амарантовой нативной муки, преимущественно состоящей из крахмалистых гранул эндосперма зерна амаранта, характерна очень рыхлая структура с большим количеством пустот и трещин, обусловливающая ее возможную высокую водопоглотительную способность (рис. 7). Цельносмолотая амарантовая мука (рис. 8) обладает промежуточной по крупности ассоциатов и степени рыхлости структурой, включающей в отличие от других видов амарантовой муки большее количество фрагментов частиц оболочек зерна. Белковая матрица клеток муки амаранта прерывистая, крахмальные зерна размером порядка 0,1-0,3 мкм имеют правильную шарообразную форму и покрыты тонким слоем прикрепленного, волокнистого по структуре белка. Отдельные зерна крахмала соединены между собой отростками белковой природы в различных направлениях в объеме, оставляя часть клетки для воздуха и тем самым формируя рыхлую структуру.
Рис. 7. Амарантовая нативная мука
Рис. 8. Амарантовая цельносмолотая мука
Очевидно, что характерные особенности микроструктуры исследуемых продуктов переработки зерна амаранта обусловлены как составом и анатомическим строением исходного зерна, так и способами их получения. Так, например, большинство исследований по определению целесообразности использования амарантовой муки в хлебопечении было проведено на примере сортовой цельносмолотой муки, получаемой путем шлифования зерновок амаранта на абразивных жерновах-поставах либо на дисковых мельницах с обязательным предварительным охлаждением зерновой массы. Наиболее современный и эффективный способ помола зерна амаранта в муку осуществляется путем последовательного поэтапного воздействия на зерновку сжатием и сдвигом с целью разрыва оболочек и нарушения связи между зародышем и эндоспермом [2], что позволяет получить различные виды сортовой амарантовой муки (цельносмолотой, нативной, белковой) с заданным химическим составом.
Анализ химического состава продуктов помола зерна амаранта (табл. 1) показывает, что наибольшее количество белка характерно для зародышевой крупки и отрубей, которого в 1,4 и 2,6 раза выше, чем в пшеничных отрубях, что обусловлено содержанием в них анатомических частей области зародыша и эндосперма, и, напротив, хлопья и крахмалистая крупка, формируемые в основном из крахмалистой части (перисперма) зерна амаранта, содержат меньше белковых веществ.
Максимальное количество липидов среди объектов исследования содержится в амарантовой зародышевой крупке, формируемой из частиц зародыша зерна амаранта, где локализуются липидные клетки зерновки амаранта: в 1,9-2,8 раза больше, чем в пшеничных и амарантовых отрубях, в 2,2-5,7 раза, чем в крахмалистых хлопьях и крупке, которые, в свою очередь, превосходят остальные виды сырья по содержанию крахмала в среднем в 2,5-3,5 раза. Богатым источником пищевых волокон, витаминов и минеральных веществ являются амарантовые белковые отруби, которые по большинству компонентов превосходят такой традиционный обогатитель, как пшеничные отруби, за исключением содержания токоферола, который удаляется из сырья при получении амарантового масла.
Таблица 1
Химический состав продуктов помола зерна амаранта
Наименование компонентов Отруби пшеничные [3] Отруби амарантовые белковые [2] Хлопья амарантовые нативные [2] Крупка амарантовая зародышевая [2] Крупка амарантовая крахмалистая [4]
Влага, % 14,4 14,5 14,5 14,0 14,0
Белки, % 15,1 21,7 6,6 38,8 8,5
Липиды, % 3,8 5,8 1,9 10,8 5,0
Крахмал и декстрины, % 23,5 17,8 70,4 17,0 50,5
Моно- и дисахариды, % 0 0 2,8 0 2,5
Пищевые волокна, %, в том числе: 38,3 33,0 2,6 14,2 14,5
клетчатка 10,0 20,3 2,6 7,0 3,0
Зола, % 4,9 7,1 1,2 5,2 2,0
Минеральные вещества, мг на 100 г
Натрий 8 212 74 113 86
Калий 1260 918 216 765 304
Кальций 150 559 131 477 187
Магний 448 393 106 274 114
Фосфор 950 990 364 870 409
Железо 14 130 36 84 19
Витамины, мг на 100 г
Тиамин 0,75 9,67 3,54 8,54 1,18
Рибофлавин 0,26 4,50 1,45 5,91 0,73
Ниацин 10,50 - - - 12,2
Пиридоксин 0,97 2,50 1,90 3,20 -
Токоферол 6,80 2,20 2,80 2,20 -
Энергетическая ценность, ккал 191 210 336 325 291
Установлено, что для различных видов сортовой амарантовой муки (табл. 2), особенно белковой, характерно содержание белка в 2-4 раза выше, чем в хлебопекарной муке. Исключением является амарантовая нативная мука, в которой содержится минимальное количество белка среди изучаемых видов сырья. Наибольшим количеством липидов обладает амарантовая цельносмолотая мука, в которой их содержится в 3,68,9 раза выше, чем в других видах сырья, что обусловлено переходом липидного комплекса нативного зерна при помоле в муку. Амарантовая нативная мука, формируемая в основном из частиц крахмалистого перисперма, отличается большим (в 1,1-1,2 раза) содержанием крахмала, чем в хлебопекарной муке. В сравнении с хлебопекарной мукой во всех видах амарантовой муки содержится большее количество моно- и дисахаридов, клетчатки и минеральных веществ. Наибольшей минеральной и витаминной ценностью отличается амарантовая белковая мука, формируемая из анатомических частиц зародыша зерна амаранта.
Также в амарантовой муке идентифицированы аскорбиновая и оротовая кислоты. Биологическая роль аскорбиновой кислоты - витамина С ((2R)-2-[(1S)-1,2-дигидроксиэтил] -4,5 -дигидроксифуран-3 -он) заключается в формировании соединительной и костной ткани (образование коллагена), выполнении функций восстановителя (восстановление убихи-нона, токоферола) и кофермента некоторых метаболических процессов (синтез серотонина из трип-
тофана, катехоламинов, кортикостероидов). Аскорбиновая кислота участвует в превращении холестерина в желчные кислоты, необходима для детоксикации в гепатоцитах при участии цитохрома Р450, нейтрализует супероксид-анион радикал до перекиси водорода, как антиоксидант эффективно защищает липопротеины от окисления. Оротовая кислота (4-карбоксиурацил, 2,6-диоксипи-римидин-4-карбо-новая кислота) участвует в биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов - уридинмо-нофосфата и цитидинмонофосфата, белковом обмене, а также стимулирует рост клеток.
Анализ аминокислотного состава объектов исследования показал, что продукты переработки зерна амаранта отличаются достаточно высокой биологической ценностью и сбалансированностью белков (табл. 3). По индексу незаменимых аминокислот среди продуктов помола зерна амаранта лидируют амарантовые нативные хлопья, содержащие наибольшее количество незаменимых аминокислот к массе белка. Для всех продуктов помола амаранта характерна примерно одинаковая сбалансированность состава незаменимых аминокислот, а показатель «сопоставимой избыточности» в большей степени стремится к нулю в амарантовой зародышевой крупке, так как в ней содержится наибольшее количество незаменимых аминокислот.
Таблица 2
Химический состав хлебопекарной и амарантовой муки (Н.А. Шмалько, И.А. Чалова, 2008)
Наименование компонентов Мука пшеничная хлебопекарная [3] Мука ржаная обдирная [3] Мука амарантовая сортовая
высшего сорта первого сорта цельносмолотая [4] белковая полу-обезжиренная [2] нативная [2]
высшего сорта первого сорта
Влага, % 14,0 14,0 14,0 13,б 11,0 12,1 12,4
Белки, % 10,3 10,б 8,9 20,3 19,1 41,4 6,8
Липиды, % 1,1 1,3 1,7 8,9 8,0 2,7 1,7
Крахмал и декстрины, % б8,7 б7,1 59,3 45,0 48,5 32,1 72,5
Моно- и дисахариды, % 0,2 0,5 0,9 2,5 2,9 3,8 3,2
Клетчатка, % 0,1 0,2 1,2 б,0 б,б 3,4 2,5
Зола, % 0,5 0,7 1,2 3,б 3,8 4,3 0,8
Минеральные вещества, мг на 100 г
Натрий 3 4 1 34 25 95 б7
Калий 122 17б 200 509 431 738 14б
Кальций 18 24 19 180 179 4б2 85
Магний 1б 44 25 2б4 229 253 74
Фосфор 8б 115 129 772 б20 848 290
Железо 1,2 2,1 2,9 9,4 13,1 7б 22
Витамины, мг на 100 г
Тиамин 0,17 0,25 0,25 0,21 0,18 8,34 3,41
Рибофлавин 0,0б 0,08 0,08 0,05 0,0б 5,91 1,47
Ниацин 1,20 2,20 2,20 1,00 1,10 - -
Р-каротин - Сл. 0,005 0,50 0,45 - -
Пиридоксин 0,17 0,22 0,25 - - 3,2 2,1
Токоферол 2,57 3,05 3,бб - - б,4б 1,02
Органические кислоты, мг на 100 г
Аскорбиновая - - - б,0 5,0 - -
Оротовая - - - 4,2 3,0 - -
Энергетическая ценность, ккал 334 331 304 Зб9 ЗбЗ 343 3б0
Таблица 3
Биологическая ценность и сбалансированность белков продуктов помола зерна амаранта (Н.А. Шмалько, И.А. Чалова, 2008)
Наименование компонентов Зерно амаранта Отруби амарантовые белковые Крупка амарантовая зародышевая Хлопья амарантовые нативные
Аминокислотный скор (АС), %
Валин 44 50 51 бб
Изолейцин 100 93 110 13б
Лейцин 50 50 53 б7
Лизин 5б 73 75 82
Метионин + цистин 10б 94 90 70
Треонин 83 123 105 103
Триптофан б0 90 90 144
Фенилаланин + тирозин бЗ б8 79 91
АСт1П, % 44 50 51 бб
КРАС, % 2б,3 30,1 30,б 37,4
БЦ, % 73,7 б9,9 б9,4 б2,б
ИНАК, ед. 0,82 0,88 0,89 1,04
и, дол. ед. 0,3б 0,33 0,34 0,43
а, г/100 г белка-эталона 8,77 8,80 4,40 5,5б
(зрелое женское молоко)
В хлебопекарной пшеничной муке главной лимитирующей аминокислотой является лизин, аминокислотный скор которой не превышает 50 % (табл. 4), что снижает биологическую ценность белка. При этом необходимо учитывать тот факт, что при термической обработке, например, выпечке
хлеба, лизин способен вступать своей свободной є-аминогруппой в реакцию меланоидинообразова-ния, что снижает еще в большей степени его аминокислотный скор. Для белка амарантовой цельносмолотой муки характерен дефицит в метионине и цистине по аналогии с продуктами животного проис-
хождения (мясо, молоко), белковой муки - в лейцине, нативной муки - в валине. Наибольший показатель биологической ценности белков объектов исследования, находящийся в линейной зависимости от коэффициента различия аминокислотного скора, наблюдается в амарантовой нативной муке вследст-
вие минимальной разности аминокислотных скоров незаменимых аминокислот и скора первой лимитирующей аминокислоты, в остальных видах амарантовой муки значения данного показателя примерно одинаковы с показателем для хлебопекарной муки.
Таблица 4
Биологическая ценность и сбалансированность белков хлебопекарной и амарантовой муки (Н.А. Шмалько, И.А. Чалова, 2008)
Наименование аминокислоты Мука пшеничная хлебопекарная Мука ржаная обдирная Мука амарантовая
высшего сорта первого сорта цельносмолотая белковая полуобез- жиренная сортовая нативная
высшего сорта первого сорта
Аминокислотный скор (АС), %
Валин 76 96 114 70 74 102 80
Изолейцин 105 125 108 90 90 100 100
Лейцин 119 119 93 77 77 79 87
Лизин 44 50 62 173 124 162 129
Метионин + цистин 83 109 89 63 66 106 114
Треонин 65 78 93 228 250 115 83
Триптофан 100 110 120 64 80 260 210
Фенилаланин + тирозин 122 138 142 162 137 135 125
АСтт, % 44 50 62 63 66 79 80
КРАС, % 45,3 53,1 40,6 52,9 46,3 53,4 36,0
БЦ, % 54,7 46,9 59,4 47,1 53,7 46,6 64,0
ИНАК, ед. 0,92 0,99 1,00 1,01 1,01 1,11 1,05
и, дол. ед. 0,35 0,42 0,44 0,41 0,42 0,44 0,41
а, г/100 г белка-эталона (зрелое женское молоко) 28,1 28,4 12,9 25,0 14,5 8,0 1,8
По значению расчетного индекса незаменимых аминокислот среди объектов исследования лидирует амарантовая белковая мука, содержащая большее количество незаменимых аминокислот. Кроме того, для всех объектов исследования характерна примерно одинаковая сбалансированность состава незаменимых аминокислот, а показатель «сопоставимой избыточности» в большей степени стремится к нулю в амарантовой нативной муке, что совпадает с высоким расчетным показателем ее биологической ценности.
С учетом совокупности исследованных показателей среди продуктов переработки зерна амаранта наиболее приемлемым сырьем для целей хлебопечения является амарантовая белковая полуобезжи-ренная мука, обладающая специфической структурой и ценным химическим составом, предопределяющим ее позитивное влияние на биотехнологические свойства полуфабрикатов и качество готовой продукции.
Список литературы
1. Шмалько, Н.А. «Бессмертный» амарант / Н.А. Шмалько, Ю.Ф. Росляков // Пищевые ингредиенты. Сырье и добавки. - 2004. - № 1. - С. 71-73.
2. Смирнов, С.О. Разработка технологии разделения зерна амаранта на анатомические части и получения из них нативных продуктов: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.01 - технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства. - М., 2006. - 215 с.
3. Химический состав пищевых продуктов: справочные таблицы содержания аминокислот, жирных кислот, витаминов, макро- и микроэлементов, органических кислот и углеводов / под ред. М.Ф. Нестерова, И.М. Скурихина. - М.: Пищ. пром-сть, 1979. - 248 с.
4. Шмалько, Н.А. Разработка технологий хлебобулочных изделий функционального назначения с использованием продуктов переработки семян амаранта: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.01: защищена 26.05.2005: утв. 07.10.05 / Шмалько Наталья Анатольевна. - Краснодар, 2005. - 215 с.
ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», 350072, Россия, г. Краснодар, ул. Московская, 2.
Тел./факс: (861) 274-11-64 е-таіі: [email protected]
SUMMARY
NA. Shmalko, LA. Chalova, N.A. Moiseenko, N.L. Romashko
Microstructure features and chemical composition of amaranth grain processing food products
The work is devoted to the study of microstructure and chemical composition of amaranth grain processing products as a promising raw material for food processing. The pilot studies have shown that the most valuable raw material for breadmaking among the products of amaranth grain processing is amaranth protein fortified low-fat flour.
Amaranth grain processing food products, breadmaking, microstructure, chemical composition.
Kuban State University of Technology 2, Moskovskaya Street, Krasnodar, 350072, Russia Phone/Fax: (861) 274-11-64 е-mail: [email protected]
