CC BY
30Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
УДК 631.1.023 https://doi.org/10.33619/2414-2948/42/24
AGRIS J10
ВЛИЯНИЕ ВЛАГОТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И АМИЛОРЕЗИСТЕНТНОСТЬ КРАХМАЛА
©Коптелова Е. К., ORCID: 0000-0002-9313-3560, канд. техн. наук, Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова, г. Москва, Россия, koptelova.vniik@mail.ru ©Кузьмина Л. Г., ORCID: 0000-0002-4960-1347, Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова, г. Москва, Россия, kuzmina.lubov.grigorevna@mail.ru
©Лукин Н. Д., ORCID: 0000-0002-2142-1897, д-р техн. наук, Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова, г. Москва, Россия, vniik@arrisp.ru
INFLUENCE OF MOISTURE THERMAL IMPACT ON PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES AND AMILORESISTANCE OF STARCH
©Koptelova E., ORCID: 0000-0002-9313-3560, Ph.D., Gorbatov Research Center for Food
Systems, Moscow, Russia, koptelova.vniik@mail.ru ©Kuzmina L., ORCID: 0000-0002-4960-1347, Gorbatov Research Center for Food Systems,
Moscow, Russia, kuzmina.lubov.grigorevna@mail.ru ©Lukin N., ORCID: 0000-0002-2142-1897, Dr. habil., Gorbatov Research Center for Food
Systems, Moscow, Russia, vniik@arrisp.ru
Аннотация. Исследовано влияние влаготермической обработки на основные физико-химические, реологические свойства и биохимической активности набухающих крахмалов разного происхождения. Разработана методика зависимости основных свойств набухающих крахмалов от степени их амилорезистентности.
Abstract. Influence of a moisture heat treatment on main physical and chemical, rheological behavior and biochemical activity of swelling starches of different origin is investigated. It is developed the technique of the main property's dependence of swelling starches on degree of their amiloresistance.
Ключевые слова: влаготермическая обработка, набухающий крахмал, амилорезистентность, ретроградация, амилоза, набухающая мука.
Keywords: moisture heat treatment, swelling starch, amiloresistance, retrogradation, amylose, swelling flour.
Набухающий крахмал получают путем влаготермической обработки водной суспензии крахмала на паровых вальцовых сушилках. Получаемые при этом сухие пленки клейстеризованного крахмала измельчают на дробилке и применяют для пищевых и технических целей. Установлено, что степень растворения набухающего крахмала в воде зависит от его происхождения.
Во ВНИИ крахмалопродуктов исследовано влияние влаготермической обработки на основные физико-химические, реологические свойства и биохимическую активность набухающего крахмала разного происхождения. Установлено, что влага полученных продуктов составляла 6,2-6,8%, картофельного — 8,9%. Хорошо набухают и быстро
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
растворяются в холодной воде крахмалы картофельный, амилопектиновый и пшеничная мука; показатель их набухаемости составил 20 см3/г (это максимальное значение).
Динамическая вязкость, определенная на вискозиметре Гепплера для 5% клейстеров зерновых крахмалов и муки равна 17-25, картофельного — 2750, амилопектинового — 470 мПас.
Рассмотрена зависимость основных свойств набухающих крахмалов от степени. Установлено, что в набухающем крахмале, в основном, преобладали частицы размером 122500 мкм. После размешивания с холодной водой все фракции образуют однородные дисперсии, стабильные при хранении, которые имеют одинаковую набухаемость, но растворимость их увеличивается по мере уменьшения размера частиц, а вязкость дисперсий при этом снижается.
По разработанной во ВНИИК методике определена степень резистентности (СР) крахмалов разных видов.
Высокой резистентностью обладают крахмалы: тритикалевый и, особенно, гороховый высокоамилозный.
В данной статье также, что проведение влаготермической обработки водной суспензии кукурузного крахмала, а также пшеничной муки может значительно повысить их резистентность в 1,7-2,5 раза. Набухающая пшеничная мука применяется в хлебопекарной промышленности для улучшения качества и расширения ассортимента хлебобулочных и кондитерских изделий.
Использование набухающей муки значительно улучшает качество макаронных изделий из муки мягких сортов пшеницы.
Влаготермическая обработка крахмала приводит к значительным изменениям его структуры и физико-химических свойств.
Получаемый указанным способом крахмал относится к разделу набухающих, или предварительно клейстеризованных, и отличается способностью набухать в холодной воде, частично или полностью растворяясь в ней. В России такой крахмал производится на отечественных или импортных паровых вальцовых сушилках и применяется для пищевых и технических целей. Процесс приготовления набухающего крахмала включает следующие операции: смешивание сухого крахмала с водой и реагентами, клейстеризация полученной суспензии на нагретой поверхности барабанов сушилки, высушивание, измельчение полученных пленок и просеивание порошкообразного продукта.
Под микроскопом частицы сухого набухающего крахмала предстают остатками битого стекла разной формы с острыми углами, но после смешивания с холодной водой постепенно набухают и превращаются в однородную массу. Степень их растворения и переход в раствор зависят от вида крахмала [1].
При смешивании с водой набухающие крахмалы разного происхождения ведут себя неодинаково. Например, картофельный и тапиоковый крахмалы быстро и равномерно распределяются в воде, кукурузный — гораздо труднее. Установлено, что внесение алюмокалиевых квасцов увеличивает его водопоглощение. Клейстеры из набухающего крахмала имеют зернистый характер. Частицы кукурузного набухающего крахмала полностью переходят в раствор лишь после длительного кипячения в присутствии щелочей.
С точки зрения теории водородных связей эти явления можно объяснить следующим образом. Во время нагревания крахмала при высокой температуре происходит удаление внутримолекулярной воды, и гидроксилы глюкопиранозных единиц оказываются связанными между собой не через воду, а непосредственно друг с другом водородной связью по схеме:
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
Н
R-O-
O-R
Н
Эта структура ведет к снижению активности реакционной способности и доступности гидроксильных групп крахмала. Можно предположить, что с отнятием связующего водородного мостика происходит разрыхление уплотненных молекул.
Во ВНИИ крахмалопродуктов проведено исследование влияния влаготермической обработки на основные физико-химические, реологические свойства и биохимическую активность набухающих крахмалов различного происхождения.
Образцы были изготовлены на экспериментальной паровой вальцовой сушилке, диаметр вальцов которой — 300 мм, длина — 600 мм. Полученные пленки измельчены на лабораторной дробилке. Определение физико-химических показателей набухающих крахмалов осуществляли по методикам, принятым в крахмалопаточном производстве [2].
Результаты аналитической оценки основных качественных показателей образцов набухающих крахмалов разного происхождения и пшеничной муки приведены в Таблице 1.
Таблица 1.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАБУХАЮЩИХ КРАХМАЛОВ РАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПШЕНИЧНОЙ МУКИ
Наименование набухающего крахмала, муки
Влага, % Набухае-мость, см3/г Динамическая вязкость 5 % клейстера, мПас рН
6,8 10 17 6,0
6,5 13 21 7,2
8,9 20 2750 6,9
6,5 20 470 6,2
6,2 18 25 6.0
Кислотность, см3 0,1Н NaOH
на 100 г сухих веществ
Кукурузный Кукурузный пищевой фосфатный Картофельный Амилопектиноый кукурузный Пшеничная мука хлебопекарная в/с
32.2 91,0 13,8 25,0
53.3
Кроме набухающих крахмалов разного происхождения, исследован образец набухающей пшеничной муки хлебопекарного качества, которая по своим показателям приближается к зерновым крахмалам. Результаты показали, что влага полученных продуктов составила 6,2-6,8%, а картофельного — 8,9%. Хорошо набухают и быстро растворяются в воде крахмалы картофельный и амилопектиновый, а также мука, показатель их набухаемости максимальный — 20 см3. Динамическая вязкость, определенная на вискозиметре Гепплера 5% клейстеров зерновых крахмалов и муки, равна 17-25 мПах, картофельный набухающий отличается высокой вязкостью — 2750 мПах, амилопектиновый имеет вязкость 470 мПах. Внесение фосфатов приводит к увеличению показателей вязкости и кислотности набухающего кукурузного крахмала.
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
Важнейшие физико-химические свойства набухающих крахмалов связаны со степенью измельчения. Кукурузный набухающий крахмал был фракционирован по размерам частиц, в которых определены их основные физико-химические показатели.
В Таблице 2 приведены показатели набухаемости, растворимости и вязкости отдельных фракций его образца.
Таблица 2.
ХАРАКТЕРИСТИКА НАБУХАЮЩЕГО КРАХМАЛА ПО ФРАКЦИОННОМУ СОСТАВУ
Характеристика фракций
Размер частиц, мкм Выход фракции, % Набухаемость, см3/г Растворимость, % Динамическая вязкость 3% щелочных дисперсий (Гепплер,20оС), мПа с
Более 500 9,3 20 16,0 96
250-500 48,5 20 19,2 78
165-250 10,3 20 19,2 79
122-165 21,5 20 22,7 72
106-122 6,0 19 23,4 36
Менее 106 3,4 19 25,9 37
Результаты анализа показывают, что в набухающем крахмале, в основном, преобладали частицы размером 122-500 мкм. После размешивания в холодной воде все фракции образовывали однородные дисперсии, стабильные при хранении, которые имели примерно одинаковую набухаемость, однако растворимость их увеличивалась по мере уменьшения размера частиц, а вязкость дисперсий снижалась. Увеличение растворимости и снижение вязкости дисперсий мелких частиц обусловлены содержанием в них более деструктированных полисахаридов.
Во ВНИИК разработана методика определения степени резистентности (СР) крахмалов. Методика включает определение количества глюкозы методом ВЭЖХ в фильтрате и осадке, полученных после разделения гидролизата на центрифуге при 10 000 об/мин. Ферментативный гидролиз проводился с помощью следующих ферментных препаратов: панкреатической а-амилазы типа VI В с активностью 10 мг/см3 (Sigma-Aldrich) и а-амилоглюкозидаза с амилолитической активностью 30 ед./см3 в течение 5-60 мин.
Известно, что резистентность крахмалов зависит от содержания в них амилозы, что подтверждают данные Таблицы 3. Степень резистентности определена по вышеописанной методике.
Таблица 3.
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТЕПЕНИ РЕЗИСТЕНТНОСТИ КРАХМАЛОВ РАЗНЫХ ВИДОВ ОТ СОДЕРЖАНИЯ В НИХ АМИЛОЗЫ
Вид крахмала Содержание амилозы, % Степень резистентности, %
Пшеничный 25 8,2
Кукурузный 26 10,9
Картофельный 20 14,5
Тритикалевый 25 15,1
Гороховый высокоамилозный 40 35,0
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
Известно, что резистентность крахмалов может быть повышена путем проведения влаготермической обработки крахмала, протекающей с клейстеризацией зерен крахмала и образованием новой структуры полисахаридов [3-4].
В данном исследовании были изучены основные физико-химические свойства и степень резистентности следующих крахмалов разного происхождения, которые могут быть использованы для получения набухающих крахмалов. Полученные результаты определения основных показателей исходных представлены в Таблице 4.
Таблица 4.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И СТЕПЕНЬ РЕЗИСТЕНТНОСТИ (СР) КРАХМАЛОВ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПШЕНИЧНОЙ МУКИ
Физико-химические Содержание показатели__глюкозы, %
Наименование образца крахмала и пшеничной муки Навеска, г Влажность, % Зольность, % Динам. вязкость, мПас рН в фильтрате в осадке СР, %
Кукурузный 1,14 11,7 0,29 4% 187 5,5 41,52 81,46 10,9
Картофельный 1,19 15,7 0,40 2% 918 7,1 37.67 76,94 14,5
Тритикалевый 1,14 12,1 0,28 4% 50 8,6 32,55 80,63 15,1
Амилопектиновый кукурузный 1,15 13,0 0,25 4% 2660 5,3 34,87 80,55 13,0
Пшеничная мука хлебо-
пекарная высший сорт ГОСТ Р 52189-2003 1,13 11,4 0,55 5,8 52,71 82,93 8,2
(содержание крахмала — 79,7%)
По степени резистентности выделяются как менее резистентные кукурузный, амилопектиновый, которые расщепляются ферментными препаратами быстрее, так и более устойчивые — картофельный, тритикалевый.
Хлебопекарная пшеничная мука относится к легкоусвояемым продуктам, наиболее доступна для ферментативного гидролиза.
Проведение влаготермической обработки водной суспензии кукурузного крахмала или пшеничной муки позволяет значительно повысить их резистентность, что подтверждают данные Таблицы 5.
Приведенные в Таблице 5 результаты исследований показывают, что наиболее резистентным к действию амилолитических ферментов является набухающий кукурузный крахмал. В процессе влаготермической обработки ускоряется процесс ретроградации крахмальных макромолекул, происходит их сближение и частичная кристаллизация амилозных соединений, что снижает связывание воды крахмальными частицами. Все перечисленные крахмалы имеют более высокую сопротивляемость процессу ферментации, чем исходные крахмалы.
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
Таблица 5.
УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВ И РЕЗИСТЕНТНОСТЬ НАБУХАЮЩЕГО КУКУРУЗНОГО КРАХМАЛА
И НАБУХАЮЩЕЙ ПШЕНИЧНОЙ МУКИ
Наименование продукта
а «
о
е в а
о
о н
а
3
Углеводный состав фильтрата, %
%
а
pi
о
к
a
а о т
.0
§
Углеводный состав осадка, %
я
а
о
к
a
а о т
.0
§
СР, %
Набухающий крахмал Набухающая пшеничная мука_
1,09 1,09
8,2
49,6 15,8
33,0 30,2
17,29 53,95
20,0 0,0
60,1 80,1
19,83 26,8 19,81 14,0
По результатам исследования СР исходного кукурузного и набухающего кукурузного крахмалов можно отметить увеличение степени амилорезистентности (10,9% и 26,8%) примерно в 2,5 раза, сравнение пшеничной муки (8,2%) и набухающей пшеничной муки (14,0%) — в 1,7 раз.
Набухающая пшеничная мука характеризуется повышенной способностью к набуханию в воде и осахариванию в полуфабрикатах хлебопекарного производства [5]. Применяется она в хлебопекарной промышленности для:
- улучшения качества, снижения себестоимости и расширения ассортимента хлебобулочных и мучных кондитерских изделий;
- изготовления термофильных молочнокислых заквасок, используемых при производстве жидких хлебопекарных дрожжей;
- питательных смесей.
Пшеничная набухающая мука используется также для повышения качества макаронных изделий из муки мягких пшениц в качестве улучшающей добавки. Это подтверждается экспериментальными данными по влаготермической обработке, которая способствует повышению резистентности за счет ретроградации молекул крахмала.
Во ВНИИК были рассмотрены основные технологии, которые могут быть использованы для повышения амилорезистентности крахмалов, и разработаны другие технологии, которые можно применить при организации производства резистентных крахмалов.
Влаготермическая обработка крахмалов и крахмалопродуктов является достаточно прогрессивным способом получения качественных и сбалансированных по своему составу специализированных продуктов питания, содержащих резистентный крахмал. Основные их преимущества в гибкости ее технологических схем, высокой производительности и малых габаритов, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции.
Список литературы:
1. Жушман А. И. Модифицированные крахмалы. М.: Пищепромиздат, 2007. 236 с.
2. Карпов В. Г., Коваленок В. А. Экструзия крахмала и крахмалсодержащего сырья. М.: Россельхозакадемия, 2012. С. 129-135.
3. Маннапова А. Ш., Канарская З. Ф., Канарский А. В., Шуваева Г. П. Энзиморезистентность крахмала, амилопектина и амилозы // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2015. №2. С. 219-223.
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 5. №5. 2019
https://www.bulletennauki.com DOI: 10.33619/2414-2948/42
4. Вассерман Л. А., Киселева В. А., Юрьев В. П. Оценка параметров процесса ферментативного гидролиза желатинизированных крахмалов, выделенных из пшеницы, гороха и ячменя с различным содержанием амилозы // Хранение и переработка сельхозсырья, 2003. №11. С. 33-38.
5. Коптелова Е. К., Кузьмина Л. Г., Лукин Н. Д. Влияние влаготермической и экструзионной обработки кукурузного крахмала на его резистентность // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №12. С. 68-71.
References:
1. Zhushman, A. I. (2007). Modifitsirovannye krakhmaly. Moscow, Pishhepromizdat, 236. (in Russian).
2. Karpov, V. G., & Kovalyonok, V. A. (2012). Ekstruziya krakhmala i krakhmalsoderzhashhego syr'ya. Moscow, Rossel'khozakademiya, 129-135. (in Russian).
3. Mannapova, A. Sh., Kanarskaya, Z. F., Kanarskii, A. V., & Shuvaeva, G. P. (2015). Enzimorezistentnost' krakhmala, amilopektina i amilozy. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii, (2), 219-223. (in Russian).
4. Vasserman, L. A., Kiseleva, V. A., & Yurev, V. P. (2003). Otsenka parametrov protsessa fermentativnogo gidroliza zhelatinizirovannykh krakhmalov, vydelennyh iz pshenitsy, gorokha i yachmenya s razlichnym soderzhaniem amilozy. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya, (11), 3338. (in Russian).
5. Koptelova, E. K., Kuzmina, L. G., & Lukin, N. D. (2017). Influence of Wet-Heat and Extrusion Treatment of Corn Starch on Its Resistance. Dostizheniya nauki i tekhniki APK, 31(12), 68-71. (in Russian).
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 20.04.2019 г. 25.04.2019 г.
Ссылка для цитирования:
Коптелова Е. К., Кузьмина Л. Г., Лукин Н. Д. Влияние влаготермического воздействия на физико-химические свойства и амилорезистентность крахмала // Бюллетень науки и практики. 2019. Т. 5. №5. С. 176-182. https://doi.org/10.33619/2414-2948/42/24.
Cite as (APA):
Koptelova, E., Kuzmina, L., & Lukin, N. (2019). Influence of Moisture Thermal Impact on Physical and Chemical Properties and Amiloresistance of Starch. Bulletin of Science and Practice, 5(5), 176-182. https://doi.org/10.33619/2414-2948/42/24. (in Russian).
