CC BY
191
УДК 664.76
Сухая пшеничная клейковина:
функциональные свойства, перспективы применения
B.В. Колпакова, д-р техн. наук, проф., Е.В. Буданцев, соискатель Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Л.В. Зайцева, канд. техн. наук, доцент, О.Ю. Студенникова, аспирант Московский государственный университет пищевых производств
C.В. Ванин, канд. техн. наук Компания «Симрайз»
З.В. Василенко, член-корр. НАН Беларуси, д-р техн. наук, проф. Могилевский государственный университет продовольствия, Республика Беларусь
Ключевые слова: сухая пшеничная клейковина; белок; зерно; сушка; растительные белки.
Keywords: dry wheaten gIuten; fiber; grain; drying; vegetative fibers.
Формула «здоровье есть функция питания» является базовой для современной науки о пище [1]. Потребляемые россиянами продукты питания не всегда удовлетворяют физиологическим потребностям человека, вследствие чего возрастает заболеваемость, снижается работоспособность, сокращается продолжительность жизни [2]. Для оптимизации рациона питания необходимо использовать белковые препараты из растительного сырья в технологических процессах в производстве пищевых продуктов [3] в связи с дефицитом белка.
К традиционным источникам растительного белка относят сою, пшеницу [4, 5], к нетрадиционным -рапс, подсолнечник, овес, лен, кунжут, чечевицу, горох, сафлор, отруби, зародыш, амарант и т. д. [6].
Соевый белок легкоусвояемый и сбалансированный по аминокислотному составу [4], тогда как белки пшеницы широко востребованы в качестве улучшителя хлебопекарных свойств муки и по производству занимают второе место после соевых белков. Причина последнего заключается в больших посевных объемах пшеницы и первостепенной роли ее белков в производстве массового продукта питания - хлеба.
Посевы пшеницы занимают 1/80 часть суши, т. е. более 1/5 обрабатываемой человеком площади. В нашей стране они занимают около 40 млн га, валовые сборы - 4050 млн т, из которых на товарное зерно приходится около 20 млн т.
Количество сырой клейковины в зерне колеблется от 16 до 58 %, сухой - от 5 до 28 %. На содержание клейковины влияют влажность почвы и температура. Чем больше влаги, тем ниже содержание клейкови-
ны и белка в зерне, а чем меньше влаги и выше температура его созревания, тем больше белка и крепче клейковина [7]. При различных условиях внешней среды сохраняются сортовые различия в качестве и количестве клейковины [7], что отражается на особенностях свойств сухого белкового препарата [8].
Сырая клейковина содержит 7085 % белка, 10-15 % углеводов, главным образом крахмала, 2-8 % липидов и 0,5-2,0 % золы [5], белки на 40-80 % представлены пролами-нами и глютелинами.
Сухая пшеничная клейковина -продукт, получаемый методом экстракции, чаще водной, небелковых и растворимых белковых компонентов из зерна пшеницы или пшеничной муки в рамках различных способов и технологий [5].
По данным информационного источника RusGluten, примерная потребность в сухой клейковине в стране составляет около 90 тыс. т в год, потребляемый объем сегодня импортируется из стран дальнего и ближнего зарубежья (Казахстан).
Компанией Cargill RBC daily в г. Ефремове Тульской области начато производство отечественной сухой пшеничной клейковины как части комплексной переработки зерна.
Важный этап производства - сушка клейковины, для которой можно использовать вальцовые, барабанные, распылительные и кольцевые сушилки [5].
В вальцовых сушилках сырая клейковина подается между валками, вращающимися навстречу друг другу и обогреваемыми паром. Клейковина снимается с вальцов в виде тонкой пленки и размалывается, качество продукта - невысокое.
В барабанных сушилках сырая клейковина предварительно смешивается с сухой в соотношении 1:4, для того, чтобы снизить влажность продукта до 30 %. Смесь просеивается с целью удаления избытка сухой пшеничной клейковины и сушится до влажности 10-12 %.
Распылительная сушка также позволяет получать сухую клейковину и даже ее отдельные фракции, но при этом продукты переводятся в состояние однородной дисперсии с относительно невысокой вязкостью.
В лабораторных условиях применяют два вида сушки: сублимационную и вакуумную, однако в промышленности их практически не используют из-за высокой стоимости, тогда как мягкие режимы тепловой обработки позволяют получать продукт с максимальной нативностью и высокими функциональными свойствами. Это свидетельствует о необходимости дальнейших исследований в данном перспективном направлении.
Наибольший практический интерес представляет сушка вспененных материалов при совмещении испарения и сублимации в рамках одного цикла [9]. Совмещение двух режимов позволит, во-первых, удалить часть влаги из вспененного материала при испарении в вакууме, что сократит процесс без снижения качества продукта, но при меньшей себестоимости, во-вторых, ряд объектов с концентрацией сухих веществ 30-70 %, к каким относится сырая пшеничная клейковина, трудно высушивается традиционной сублимационной сушкой.
Сорт пшеницы, условия выращивания, способы промышленного_по-лучения и сушки обусловливают различия в химическом составе сухой пшеничной клейковины. Комитетом
по растительному белку Codex Alimentarius с Международной Ассоциацией клейковины утверждены следующие показатели качества (на с. в.): белок (N х 6,25) - 80 % минимум; влажность - 10 % максимум; зольность и жир (экстрагированный эфиром) - до 2 %, клетчатка - до 1,5 % (максимум). Продукт представляет собой сыпучий порошок кремового или светло-коричневого цвета.
Ценность белковых препаратов для пищевой промышленности, как известно, заключается не только в питательных, но и функциональных свойствах. Данные иностранных и отечественных авторов [8, 10] показывают, что сухая клейковина обладает достаточно широким спектром функциональных свойств: гидратация, жиросвязывающая, пленкообразующая способность, стабилизация дисперсных систем (эмульсии, пены, суспензии), гелеобразование, адгезионные, реологические свойства, способность к текстурирова-нию и т. д., что определяет направления использования ее белков в производстве различных пищевых изделий.
Белки сухой пшеничной клейковины с растворимостью 1-5 % способны образовывать структурированные гели, которые выдерживают нагревание, замораживание, сушку [5]. В то же время, гелеобразующая способность клейковины невысокая, критическая концентрация гелеобра-зования составляет около 20 %, гели мутные, невысокой прочности, склонные к синерезису, следовательно, имеются перспективы их улучшения.
Абсорбция или удержание воды -результат взаимодействия молекул воды с гидрофильными слоями белка при помощи водородных связей. Количество воды, поглощаемой клейковиной, превышает ее собственную массу почти в 2 раза. Если препараты клейковины денатурированы при сушке, то они имеют пониженную способность поглощать воду, что отрицательно сказывается на текстуре и сроке хранения изделий, однако, если учесть, что абсорбция воды при замесе теста, например, зависит от ее дозировок, то с их увеличением повышается и водопог-лотительная способность теста, и качество изделий улучшается [11].
Жиросвязывающая способность характеризуется адсорбцией жира за счет гидрофобных остатков аминокислот белка, она зависит от аминокислотного, фракционного составов, структуры, способов обработки, рН,
температуры и присутствия небелковых компонентов [5]. Высокий показатель белков клейковины обеспечивает нежную и однородную текстуру изделий, исключает отделение жира и сморщивание изделий.
Растительные белки, имея в своем составе полярные и гидрофобные группы, применяют в качестве эмульгаторов, стабилизаторов жировых эмульсий, пенообразователей и стабилизаторов пен [12].
Ориентация гидрофильных групп белка к воде, а гидрофобных - к маслу на границе раздела фаз в виде адсорбционного слоя снижает поверхностное натяжение в дисперсных системах и делает их агрегатив-но устойчивыми. Жироэмульгирую-щая способность белков, наряду с другими функциональными свойствами, позволяет оценить возможность применения клейковины при производстве кондитерских масс, хлебобулочной, мясной, масложи-ровой и молочной продукции [5].
Нами впервые проведены исследования функциональных свойств сухой клейковины разного качества. Использованы 19 образцов с одного и того же предприятия - «БМ» (Казахстан) и показано, что значения водосвязывающей способности могут колебаться от 2,27 до 2,70 г/г, жиросвязывающей - от 0,95 до 2,35 г/г, жироэмульгирующей способности - в пределах 49-67 %, а стабильность эмульсий - 88-116 %, пе-нообразующая способность и стабильность пены - от 170 до 227 % и 55-70 % соответственно (см. таблицу). Разработчики рецептур пищевых продуктов с клейковиной должны точно знать функциональные свойства, чтобы обеспечить большую эффективность ее применения.
Не всегда свойства сухой пшеничной клейковины удовлетворяют требованиям потребителя, поэтому прибегают к методам их регулирования, под которыми понимают физико-химические приемы, химическую и биохимическую модификацию [15].
Физико-химические приемы - это растворение белков клейковины в кислотах, щелочах, основаниях; термоденатурация и т.д. с последующей сушкой продукта. При этом изменяются заряд, ионный состав и, как следствие, функциональные свойства.
Важную роль в регулировании функциональных свойств играют межмолекулярные взаимодействия с заряженными и поверхностно-активными полисахаридами (фосфо-липиды, металлы, пектиновые веще-
Функциональные свойства сухой пшеничной клейковины
№ п/п образца ВСС, г/г ЖСС, г/г ПОС, % СП, % ЖЭС, % СЭ, %
1 2,27 0,95 210 67 59 90
2 2,33 1,86 190 66 61 111
3 2,53 2,20 195 66 63 108
4 2,39 2,32 220 67 60 95
5 2,45 2,16 200 70 49 108
6 2,46 2,20 170 63 66 93
7 2,58 2,18 173 67 60 116
8 2,66 2,26 187 66 66 91
9 2,59 2,23 193 62 59 99
10 2,49 2,24 183 60 62 100
11 2,70 2,23 200 65 60 108
12 2,42 2,21 197 61 58 106
13 2,56 2,18 210 64 61 104
14 2,40 2,20 183 60 63 95
15 2,62 2,18 197 66 61 113
16 2,67 2,30 200 55 67 90
17 2,68 2,34 193 64 66 88
18 2,49 2,20 200 65 60 93
19 2,30 2,35 213 59 58 98
90
50-1-.-.-.-.-.-.
0 1 2 3 4 5 6 Массовая доля гидроколлоидов, % к массе белка
-Д- гуаровая камедь; —О— ксантановая камедь; -■- камедь рожкового дерева
Влияние гидроколлоидов на ЖЭС сухой пшеничной клейковины
ства, полифенольные соединения), изменяющими исходную конформа-цию и физико-химические свойства белков. Так, нами показано, что функциональные свойства сухой клейковины изменяются, например, под влиянием кислых и нейтральных полисахаридных гидроколлоидов (см. рисунок). Гуаровая камедь улучшает жироэмульгирующую способность белков, а смесь ксантано-вой камеди, камеди рожкового дерева и гуммиарабика в дозировках 0,1 и 0,6 % к ее массе соответственно - пенообразующие свойства, что было использовано, к примеру, для разработки многофункциональной белоксодержащей смеси для приготовления бисквитов и кексов [Пат. РФ № 2316968].
Химическая модификация (сукци-нилирование, ацетилирование, фос-форилирование) клейковины в относительно широких пределах изменяет структуру и функциональные свойства белков, однако из-за обеспечения безопасности продукта для пищевых целей ее пока не используют.
Высокой степенью специфичности и отсутствием нежелательных побочных реакций характеризуется ферментативная модификация белков, к которой относятся плас-теиновый синтез, полный и ограниченный протеолиз, фосфорилиро-вание, дезамидирование, сшивание и т. д. [13-15].
Способы получения пластеинов разработаны для соевых белков, молочной сыворотки, арахиса. При этом отмечалось изменение вязкости у детских молочных смесей, упрочнение гелей у сосисок, желе, пудингов, облегчение сбивания кремов, пен, десертов, следовательно, и для клейковины имеются перспективы изменения свойств данным методом.
Уникальными потребительскими свойствами обладают модифицированные растительные белки с ограниченной степенью протеолиза: повышенной растворимостью при разных значениях рН, пенообразующей способностью, улучшенной эмульгирующей и жироудерживающей способностью. При этом характер продуктов зависит как от природы белка, типа протеаз, так и от условий и степени его гидролиза [14]. Чрезмерно высокая степень гидролиза приводит к появлению горького вкуса, обусловленного присутствием пептидов с концевыми гидрофобными аминокислотами.
Ограниченный протеолиз клейковины изменяет размер ее белковых молекул, уменьшает вязкость, что благоприятно влияет на структуру теста из муки пониженного технологического качества в процессе созревания с одновременным улучшением пористости, структуры мякиша и увеличением объема хлеба [16].
В результате ферментативного гидролиза получаются продукты, содержащие 50-90 % белка, со сбива-емостью, равной или даже превышающей сбиваемость яичного альбумина. При тепловой обработке такие белки практически не вспениваются [17]. По нашим данным, например, ограниченный протеолиз сухой пшеничной клейковины разного качества с эндопротеиназой повышал пенообразующие свойства белков в среднем в 1,5 раза, по сравнению с
контролем. За 85 и 160 мин ферментативного гидролиза короткорву-щейся и слабой клейковины пенооб-разующая способность белков увеличивалась на 55 и 82 %, соответственно, и достигала значений яичного белка.
Сухая клейковина - это натуральный ингредиент, соответствующий требованиям кодекса ФАО/ВОЗ комитета «Эксперт по продовольственным добавкам», поэтому не существует пределов, ограничивающих ее применение. Основные области использования клейковины - мукомольная и хлебопекарная отрасли промышленности, в которых за последние 20-30 лет ее использование выросло в десятки раз, особенно в передовых странах.
В мукомольном производстве клейковину добавляют в количестве 1-2 % к муке пониженного качества, содержащей, как правило, 9-10 % белка, в качестве улучшителя [17, 18]. При использовании клейковины как наполнителя ее применяют в количестве 3-6 % к массе муки для нивелирования отклонений в качестве хлеба, содержащие пищевые волокна (клетчатка, гемицеллюлозы) в составе различных твердых включений (отрубная мука, отруби, целое зерно, зерновые смеси, продукты из кукурузы, изюм и т. д.).
Использование сухой пшеничной клейковины расширяет ассортимент не только массовых сортов пшеничного, ржаного хлеба, макаронных изделий, но и продукции диетического и лечебного питания (белково-пшеничный, белково-отрубной хлеб и т. д.).
Известно, что белки в традиционных изделиях из муки содержатся в небольших количествах, плохо сбалансированы из-за недостатка лизина, триптофана, метионина, треонина. Добавление же 10-30 % сухой пшеничной клейковины повышает содержание белка до 9-15 % против 7-8 % в обычном хлебе. При этом у изделий не только повышается пищевая ценность, но продлевается срок хранения и исчезает способность мякиша крошиться.
Уникальные адгезивные, когезив-ные, термофункциональные и пленкообразующие свойства сухой пшеничной клейковины позволяют использовать ее в качестве добавок в количестве 2-6 % в мясные, рыбные и продукты из мяса птицы для связывания кусочков сырья при приготовлении бифштексов, котлет, рулетов, пельменей, сосисочного, рыбного фарша и различных эмульсионных продуктов. Вязкоупругие свойства
клейковины обеспечивают изготовление аналогов сыра с текстурой и вкусовыми качествами натурального сыра. Продукт применяют как основу жевательной резинки, в косметической (тушь для ресниц, пудра) и фармацевтической промышленности (таблетирование).
Гидролизаты клейковины, подвергнутой предварительно экструзии, можно использовать при разработке аналогов мяса, крабов, икры, полуфабрикатов при производстве ароматизаторов, тенденция увеличения которых в мире пока еще сохраняется [19, 20]. Известны и другие способы применения сухой пшеничной клейковины.
Перспективное направление применения сухой пшеничной клейковины и ее модификаций - производство кондитерских изделий (бисквиты, кексы, торты, печенье, конфеты, пастило-мармеладные изделия и т. д.), обязательно с учетом особенностей ее функциональных свойств. При этом следует помнить, что основную сложность в поиске путей и способов направленной их регуляции для формирования заданных показателей качества, предназначенных для конкретных групп пищевых продуктов, составляют широкое разнообразие возможных причин разнокачественности белка, сильная вариабельность показателей качества исходного зерна в различных условиях выращивания (сорт, фенотип) и различия в способах получения и технологических факторах процессов.
Многогранность и взаимообусловленность причин, приходящихся как на процессы репродуктивного развития зерна пшеницы, так и на стадии производства клейковины, предопределяют теоретически обоснованное регулирование ее функциональных свойств, а следовательно, и наиболее эффективные области ее эффективного использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шендеров Б.А. Современное состояние и перспективы развития концепции «функционального питаниям/Пищевая промышленность. 2003. № 6. С. 6-8.
2. Шевченко Ю.Л. Здоровье населения России://Вестник Российской академии наук. 2004. Т. 74. № 5. С. 399-402.
3. Основы управления инновациями в пищевых отраслях АПК/Под ред. В.И. Тужилкина. - М.: МГУПП, 1998.
4. Джозеф Дж. Эндерс. Соевые белковые продукты. Характеристики, питательные свойства и применение/Пер. с англ. М.Л. Доморощен-ковой. - М.: «Макцентр», 2002.
5. Колпакова В.В., Нечаев А.П. Химия пищевого белка: Учеб. пос. -М.: МГУПП, 2003.
6. Растительный белок: новые перспективы/Под ред. Е.Е. Браудо. - М.: Пищепромиздат, 2000.
7. Колпакова В.В, Молчанова Е.Н., Васильев А.В., Чумикина Л.В. Физико-химические свойства белков пшеницы, выращенной в резко контрастных климатических условиях// Прикладная биохимия и микробиология. 2007. № 3. С. 382-392.
8. Ванин С.В., Колпакова В.В. Функциональные свойства сухой пшеничной клейковины разного качества// Известия вузов. Пищевая технология. 2007. № 1. С. 21-24.
9. СеменовГ.В, ШабетникГ.Д. Интенсификация процессов вакуумной сушки жидких и пастообразных ма-териалов//Известия вузов, Пищевая технология. 2002. № 4. С. 39-43.
10. Ванин С.В., Колпакова В.В, Чумикина Л.В. Пенообразующая способность белковых продуктов и их
регулирование для приготовления пенных систем/Сб. материалов V Международной НПК «Технологии и продукты здорового питания» 2007». Ч. 2. - М.: МГУПП, 2007.
11. Ковен С., Янг Л. Практические рекомендации хлебопекам и кондитерам. 202 вопроса и ответа/Пер. с англ. В.Е. Ашкинази. - СПб.: Профессия, 2006.
12. Колпакова В.В, Ванин С.В. Функциональные свойства белковых препаратов и композитов из растительного сырья: Учеб. пос. - М.: МГУПП, 2008.
13. Васильев А.В., Колпакова В.В. Ферментативный протеолиз сухой пшеничной клейковины разного ка-чества//Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. №2. С. 49-51.
14. Васильев А.В., Колпакова В.В., Зайцева Л.В., Чумикина Л.В. Гидролиз сухой пшеничной клейковины разного качества с применением экзо- и эндопротеиназ//Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 8. С. 38-39.
15. Румянцева Г.Н., Евсеичева М.Н. Влияние ферментативных препаратов протеолитического действия на белоксодержащее сырье//Хранение
и переработка сельхозсырья. 2005. № 7. С. 31-32.
16. Колпакова В.В., Васильев А.В, Юдина Т.А., Чумикина Л.В. Использование ферментативного метода обработки сухой пшеничной клейковины в хлебопечении//Хлебопро-дукты. 2008. № 11. С. 42-43.
17. Мартьянова А., Пищугина Е. Влияние сухой пшеничной клейковины на хлебопекарные свойства муки/ /Хлебопродукты. 2002. № 8. С. 14-17.
18. Колпакова В., Юдина Т., Севе-риненко С., Ванин С. Сухая пшеничная клейковина - эффективный улучшитель качества муки/хлебопродукты. 2006. № 10. С. 50-53.
19. Попов В.И. Производство и применение СПК//Хранение и переработка сельхозсырья. 2006. № 1. С. 40-42.
20. Морин Р., Панек Я., Миахара М. Белковые гидролизаты в пищевых продуктах//Пищевые ингредиенты, сырье и добавки. 2005. № 2. С. 74-75.
Исследования проведены в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
М ЕЖДУ11А РОДНАЯ С11ЕЦИАЛ И 3 И МО ВАНН АЯ И Ы СТА В КА
27 - 29 АПРЕЛЯ 2010
т*
МОСКВА, МВД КРОКУС экспо
EXPO DRINKS 20 10
ПРОИЗВОДСТВО И РЕАЛИЗАЦИЯ НАПИТКОВ
www.expodrinks.ru
+7 (495) 980-9542
ОРГАНИЗАТОР
СОВМЕСТНОЕ
SiSßSFor.Expt, Ltd. N О V Е X
Л' ВЫСТАВОЧНЫЙ СЕРВИС Пи i»«m пиям.пшм гг"Г"Ц-
ГЕНЕРАЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СПОНСОРЫ
информационные
