CC BY
20
УДК 54-116
Оценка влияния обжарки на деструкцию биополимеров жмыха зародышей пшеницы с помощью термического анализа
Roasting influence assessment on destruction of biopolymers of cake of germs of wheat by means of the thermal analysis
Профессор H.C. Родионова, аспирант О.А. Соколова (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, тел. (473) 255-37-72 E-mail: rodionovast@mail.ru
Professor N.S. Rodionova, Graduate Student O.A. Sokolova (Voronezh State University of Engineering Technology) chair of service and restaurant business, tel. (473) 255-37-72 E-mail: rodionovast@mail.ru
Реферат. Необходимо расширять ассортимент кондитерских изделий, обладающих функциональными свойствами, с пониженным содержанием рафинированного сахара и адекватной заменой дорогостоящего орехового сырья. Применение термической обработки (обжарки) позволяет инактиви-ровать ферментный комплекс и повысить устойчивость ЖЗП как сырья, но сопровождается изменениями технологических и органолептических свойств ЖЗП. Цель работы - исследование влияния обжарки на изменение форм связи влаги в ЖЗП и кондитерской массе на его основе методом термического анализа. Полученные данные позволяют судить о степени деструкции белков и полисахаридов, входящих в состав ЖЗП и кондитерской массы на его основе, в процессе обжарки. Изменение форм связи в обжаренном ЖЗП по сравнению с контролем в сторону сокращения количества капиллярной и осмотической влаги свидетельствует о снижении способности ЖЗП к набуханию. Данные изменения сохраняются в процессе производства кондитерской массы на основе обжаренного ЖЗП, что подтверждает возможность увеличения устойчивости полученной кондитерской массы при хранении и открывает перспективы широкого применения ЖЗП в технологиях кондитерских изделий функциональной направленности и в качестве заменителя дорогостоящего орехового сырья.
Summary. By need of expansion of the range of confectionery - development of the compoundings possessing useful, functional properties with the lowered content of the refined sugar. Application of heat treatment (flying) allows to inactivate a fermental complex and to increase stability of cake of germs of wheat as raw materials. Frying causes essential changes not only organoleptic and technological indicators, but also causes profound biochemical changes of biopolymers - proteins, polysaccharides that is shown in changes of their moisture connecting, moisture-holding, emulsifying capability. The purpose of this work - research of influence of frying on changes of forms of communication of moisture in cake of germs of wheat and confectionery weight not to its basis by method of the thermal analysis. The obtained data allow to judge extent of destruction of proteins and polysaccharides of cake of germs of wheat which are a part and confectionery weight on its basis in the course of frying. Change of forms of communication in the fried cake of germs of wheat in comparison with control towards reducing amounts of capillary and osmotic moisture, demonstrates decline in the ability of cake of germs of wheat to swelling. These changes remain in a production process of confectionery weight on the basis of the fried cake of germs of wheat, it confirms a possibility of increase in stability of the received weight candy store in case of storage and opens prospects of broad application of cake of germs of wheat in technologies of confectionery as substitute of expensive nut raw materials.
Ключевые слова: жмых зародышей пшеницы, кондитерская масса, форма связи влаги, термический анализ.
Keywords: cake of germs of wheat, confectionery weight, moisture communication form, thermal analysis.
© Родионова H.C., Соколова O.A., 2016
Кондитерские изделия популярны у большого числа потребителей различных возрастных групп. В связи с этим актуальное направление развития ассортимента данной категории продуктов - разработка рецептур, обладающих функциональными свойствами с пониженным содержанием рафинированного сахара. Перспективным сырьем является жмых зародышей пшеницы, содержащий 23 макро- и микроэлемента, широкий спектр витаминов, сравнимый с известными фармацевтическими поливитаминными комплексами [1], до 8 % ценного масла [2, 3], до 30 % белков с высокой биологической ценностью, достаточно сбалансированного по аминокислотам состава [1], более 40 % углеводов, в том числе до 15 % сахарозы. По составу и органолептическим свойствам ЖЗП близок к ореховому сырью и при этом значительно дешевле.
Наиболее ценный функциональный компонент ЖЗП - поликозанол обеспечивающий нормализацию липидного обмена по ряду критериев. Однако, наличие полиненасыщенных жирных кислот в составе жировой фракции ЖЗП, а также высокая активность нативного комплекса ферментов зародышей - липазы, каталазы и пероксидазы [4] делают жмых и изделия на его основе неустойчивыми при хранении вследствие активного окисления липидов. Это значительно ограничивает его промышленное применение в пищевых, в том числе в кондитерских технологиях. Термическая обработка (обжарка) позволяет инактивировать ферментный комплекс и повысить устойчивость ЖЗП сырья, но сопровождается существенными изменениями не только органолептических [5], но и технологических показателей [6].
Цель работы - исследовать влияние обжарки на изменение форм связи влаги в ЖЗП и кондитерской массе на его основе методом термического анализа.
Экспериментальное получение кинетических кривых сушки пищевых материалов является реальной базой для уточнения сложных механизмов внутренних термодинамических и физико-химических процессов в капиллярно-пористых средах, необходимых для оценки и прогнозирования теплофизических характеристик исследуемых продуктов.
Формы связи влаги исследовали в ЖЗП (ТУ 9141-022-70834238-12 производство ООО «ПУЛAT»), который обжаривали при температуре 150 °С в течение 8,5 мин в жарочном шкафу. Контролем служил ЖЗП не подвергнутый тепловой обработке. Кондитерскую массу готовили следующими образом: в качестве основы рецептуры использовали предварительно обжаренный жмых зародышей пшеницы «Витазар», далее его измельчали до размера частиц 0,3 мм, смешивали в сухом виде с сахарозой, какао-порошком, перемешивали до однородного состояния сыпучей массы, затем в полученную смесь вносили воду питьевую при температуре 30-35 °С, смесь тщательно вымешивали до достижения однородной консистенции и равномерного распределения влаги по всей массе. Контролем служила кондитерская масса на основе необжаренного ЖЗП. Термический анализ осуществляли с применением синхронного термоанализатора STA 449 F3.
Количественную оценку форм связи влаги в продукте осуществляли по экспериментальным зависимостям изменения массы образца TGA, скорости изменения температуры DTA и скорости изменения массы DTG, полученным методом термогравиметрии [7].
На экспериментальных термограммах (рис. 1) наблюдается интенсивное падение массы исследуемых образцов (ТГ) во время всего периода нагревания. Зависимости изменения массы обжаренного и контрольного образцов ЖЗП имеют аналогичный характер.
ОДСК ЧМвСМГЛИИи)
>____ —
N ----""" \ m
•00 120 140 МЮ «М 700 Твмсврвтур« ГС
ДТТ
""ЯС* 4QCK 1-е-«И.
20 0S
04 00 100
18 оа ■09 M
10 M
ог 10 и
09 01 -1® яо
00 20 m
■06 оо -20 m
чи 30 m
ДТГ iVMi ПОГЩ^имп 1ДГК
______ «К . н
—_____^ _ ___1
N! 1
40 M 60 »00 120 _ 140 100 110 б
ЭЛ -W'W ДТГ rfM
«О « К 100 tx МО >00 'Ш эоо
Рис. 1. Дериватограммы: а - контроль; б - обжаренный ЖЗП; в - кондитерская масса (контроль); г - кондитерская масса на основе обжаренного ЖЗП
У образцов ЖЗП и кондитерской массы наиболее сильно выражены эндотермический и экзотермический эффекты (ДТГ) (табл. 1).
Таблица 1
Эндотермический и экзотермический эффекты ЖЗП и кондитерской массы
г
в
Вид эффекта Вид сырья Температурный интервал, °С Пик наибольшей скорости реакции при t, °С Процесс (возможный)
Эндотермический ЖЗП сырой 90-120 101,02 Потеря влаги
ЖЗП жареный 70-100 82,50
Кондитерская масса на основе сырого ЖЗП 110-140 124,38
Кондитерская масса на основе жаренного ЖЗП 90-115 101,91
Экзотермический ЖЗП сырой 155-170 161,59 Разложение
ЖЗП жареный 140-180 155,08
Кондитерская масса на основе сырого ЖЗП 170-190 181,27
Кондитерская масса на основе жаренного ЖЗП 150-190 171,90
Первый эндотермический эффект характерен для процесса потери влаги (дегидратации), второй экзотермический эффект - для разложения продукта. Следует отметить сдвиг эндотермического и экзотермического пиков на кривой ДТА в сторону более высоких температур, следовательно, разложение сопровождается выделением газов.
Общая потеря массы для обжаренного ЖЗП и контроля составляет 97,33 и 96,13 %, для кондитерской массы на основе обжаренного ЖЗП и контроля - 87,39 и 85,93 %.
Для оценки различных форм связи влаги в образцах участок кривой изменения массы ТО представлен в виде зависимости степени изменения массы или превращения вещества от температуры. Для этого через каждые 20 К на кривой ТО, при определенных значениях температуры находили изменение массы тг, образца, соответствующее массовой доле высвобождающейся воды при температуре Гг. Степень изменения массы а рассчитывали как отношение массы тг к общей массе, содержащейся в образцах воды т, определяемой из кривой ТО в конце процесса дегидратации. Полученная кривая ТО в координатах а-Т отражает сложный характер взаимодействия воды и биополимеров образцов, выявляет различие скорости высвобождения воды на разных участках данной кривой в соответствии с температурным воздействием (рис. 2).
а
Рис. 2. Зависимость степени превращения а от температуры нагрева: а - контроль ЖЗП; б - обжаренный ЖЗП; в - кондитерская масса, контроль; г - кондитерская масса на основе обжаренного ЖЗП
Для определения температурных интервалов, соответствующих количеству высвобождающейся влаги различных форм связи, использовали зависимость, построенную в координатах а)-(1000/Т) в интервале 293-473 К (рис. 3).
е
2 va г ьн j,ai
Рис.3. Зависимость величины - Iga от 1000/ Т: а - контроль ЖЗП; б - обжаренный ЖЗП; в - кондитерская масса, контроль; г - кондитерская масса на основе обжаренного ЖЗП
Полученные зависимости можно рассматривать в виде трехлинейных сплайнов и выделить 3 участка, соответствующих удалению влаги с различными кинетическими характеристиками (табл. 2).
Таблица 2
Интервалы 1000/ Т, характерные для постоянной скорости изменений lg а
а
г
в
Линейные участки Контроль ЖЗП Обжаренный ЖЗП Кондитерская масса, контроль Кондитерская масса на основе обжаренного ЖЗП
DC 20-100 20-60 20-80 20-60
СВ 100-160 60-120 80-160 60-120
ВА 160-200 120-200 160-200 120-200
Экспериментально полученные кривые зависимости степени превращения ЖЗП и кондитерской массы на его основе от температуры позволяют оценить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги с компонентами продукта на основе оценки разности скорости дегидратации в процессе термического воздействия. Линейные участки (рис. 3) свидетельствуют о ступенчатом выделении воды из образцов. Разрушение связи «вода-вода» происходит в контрольном образце ЖЗП при 313 К, в обжаренном - при 333 К. Эта разница сохраняется для кондитерской массы, значения температур составляют 353 и 373 К в контрольном и опытном образцах. Участок DC иллюстрирует стадию нагрева и удаления свободной влаги механически и осмотически связанной, имеющей невысокую энергию связи с продуктом. При этом высвобождаются молекулы воды из ассоциатов, связанные между собой водородными связями. Десорбция капиллярной воды характеризуется более низкими величинами энергии активации по сравнению с водой, высвобождающейся на второй ступени. При дальнейшем нагреве, вероятно, происходит высвобождение осмотически и иммо-билизационно связанной влаги, удерживаемой в замкнутых ячейках биополимеров белковой и полисахаридной природы, развертывающихся при температуре испарения адсорбционно-связанной влаги в результате их первичных деструктивных изменений.
Участок СВ соответствует фракции влаги, образующей несколько последующих слоев молекул, более прочно связанных с продуктом. Данные молекулы испытывают влияние активных групп биополимеров ЖЗП и обладают более искаженной структурой по сравнению с водой в объеме. Пики экзотермического эффекта на кривой DTG отмечены при температуре 435 К - для контроля ЖЗП, 428 К - для обжаренного ЖЗП, 454 К - для кондитерской массы на основе контроля ЖЗП и 445 К - для кондитерской массы на основе обжаренного ЖЗП, соответствуют высвобождению молекул воды с физико-химической связью и свидетельствуют об окончании этапа интенсивной потери массы.
В интервале температур 433-473 К - для контроля и 393-473 К - для опытного образца наблюдается начало процесса разложения веществ с выделением газообразных составляющих.
Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи. Точки перегиба на зависимостях изменения массы исследуемого продукта отмечены при температурах 373/433, 333/393, 353/433 и 333/393 К, что свидетельствует об изменении механизма деструкции биополимеров.
Полученные результаты позволяют судить не только о процессе дегидратации воды, но и о степени деструкции белков и полисахаридов, входящих в состав ЖЗП и кондитерской массы на его основе, в процессе обжарки. Изменение форм связи в обжаренном ЖЗП по сравнению с контролем в сторону сокращения количества капиллярной и осмотической влаги свидетельствует о снижении способности ЖЗП к набуханию. Данные изменения сохраняются в процессе производства кондитерской массы на основе обжаренного ЖЗП, что, вероятно, связано с необратимостью деструктивных изменений молекул биополимеров ЖЗП в процессе обжарки, это подтверждает возможность увеличения устойчивости полученной кондитерской массы при хранении и открывает перспективы широкого применения ЖЗП в технологиях кондитерских изделий в качестве заменителя дорогостоящего орехового сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Родионова Н.С., Соколова О.А. Влияние термической обработки на биологическую ценность белков муки зародышей пшеницы [Электронный ресурс]// Современные проблемы науки и образования,- № 4,- 2015. URL: http://www.science-education. ru (Дата обращения 10.07.2016)
2. Заключение экспертизы 72/Э-2411-99. Масло зародышей пшеницы.- М.: Головной испытательный центр пищевой продукции при институте питания РАМН, 2004,- 3 с.
3. Заключение о результатах клинического применения продукта «Масло зародышей пшеницы» в местном лечении ожоговых ран.- М.: Московский городской ожоговый центр, 2005.- 8 с.
4. Родионова, Н.С. Технологии пищевых продуктов сбалансированного ПНЖК -состава [Текст]: монография / Н.С. Родионова, Т.В. Алексеева.- Воронеж, 2015.256 с.
5. Родионова, Н.С. Влияние термической обработки на формирование аромата муки зародышей пшеницы [Текст] / Н.С. Родионова, О.А. Соколова, Т.А. Куч-менко, Р.У. Умарханов / / Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий.- 2015.- № 2.- С. 117-121.
6. Родионова, Н.С. Формирование функционально-технологических свойств жмыха зародышей пшеницы термической обработкой [Текст] / Н.С. Родионова, О.А. Соколова// Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК -продукты здорового питания,- 2016.- № 3 (11).- С. 44-50.
7. Пименова, Л.Н. Термография [Текст]: методические указания по дисциплине «Физико-химические методы исследования» / Л.Н. Пименова.- Томск, 2005. - 19 с.
REFERENCES
1. Rodionova N.S., Sokolova О.А. Vliyanie termicheskoy obrabotki na biolog-icheskuyu tsennost' belkov muki zarodyshey pshenitsy [Influence of heat treatment on the biological value of proteins of flour of germs of wheat] Sovremennye problemy nauki i obrazovaniy, 2015, No 4 http://www.science-education.ru (accessed 10.07.2016) (Russian).
2. Zaklyuchenie ekspertizy 72/E-2411-99. Maslo zarodyshey pshenitsy [Experimental testimony 72 / E-2411-99. Oil of germs wheat], Moscow, Golovnoy ispytatel'nyy tsentr pishchevoy produktsii pri institute pitaniya RAMN, 2004, pp. 3 (Russian)
3. Zaklyuchenie о rezul'tatakh klinicheskogo primeneniya produkta «Maslo zarodyshey pshenitsy» v mestnom lechenii ozhogovykh ran [The conclusion about results of clinical application of a product "Oil of germs of wheat" in local treatment of burn wounds], Moscow, 2005, pp 8. (Russian).
4. Rodionova N.S., Alekseeva T.V. Tekhnologii pishchevykh produktov sbalansiro-vannogo PNZhK-sostava [Of technology of foodstuff of the balanced polynonsaturated zhirnokislotny - structure], Voronezh, 2015, pp. 256 (Russian).
5. Rodionova N.S., Sokolova O.A., Kuchmenko T.A., Umarkhanov R.U. Vliyanie termicheskoy obrabotki na formirovanie aromata muki zarodyshey pshenitsy [Influence of heat treatment on formation of aroma of flour of germs of wheat] Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy, 2015, No 2, pp. 117121 (Russian).
6. Rodionova N.S., Sokolova O.A. Formirovanie funktsional'no-tekhnologicheskikh svoystv zhmykha zarodyshey pshenitsy termicheskoy obrabotkoy [Forming functional and technological svoystvzhmykh of germs of wheat heat treatment] Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK-produkty zdorovogo pitaniya, 2016, No 3 (11), pp. 44-50 (Russian).
7. Pimenova L.N. Termografiya [Termografiya], Tomsk, 2005, pp. 19 (Russian).
