Физико-химические и функциональные свойства различных сортов овса

Введение. Растения являются незаменимыми компонентами питания человека и используются на протяжении всей жизни. Злаки относятся к основным продуктам питания, которые ежедневно потребляются в России. Овес ( Avena Sativa L.) выращивается по всему миру [1, 2].

Овес относится к числу зерновых культур, обладающих множеством биологически активных веществ с существенной пользой для здоровья за счет высокого содержания пищевых волокон [3]. Овсяный белок содержит 80 % глобулинов, 15 % проламина, 4 % глютелина и 1 % альбумина. Он также содержит 5–9 % липидов, из которых 78–81,5 % являются ненасыщенными [4, 5] Антиоксидантный потенциал овса обусловлен присутствием 5,7 % фенольных соединений. Овес также содержит жизненно важные витамины, такие как витамин В1 (0,002 %), витамин В2 (0,001 %), витамин В3 (0,032 %) и витамин Е (0,84 %) [6, 7]. Химический состав овса обычно зависит от сорта и состава почвы. Анализ питания очищенных и неочищенных зерен овса показал, что в неочищенных зернах содержится больше белка, жира и меньше клетчатки. Химическая структура фенольных соеди- нений из овса указывает на то, что они содержат фенольные кислоты и полифенол с гидроксильной группой. Присоединенная гидроксильная группа придает овсу антиоксидантные свойства, и следовательно, он обладает нутрицевтическим эффектом [8]. Овес обладает высоким антиоксидантным потенциалом благодаря наличию авентрамидов, фенольных соединений, витамина Е и фитиновой кислоты.

Овсяное зерно, помимо питательной ценности, является самым богатым источником биологически активных компонентов. Зерна овса, присутствующие в наружном слое, содержат флавоноиды, стеролы, а также пищевые волокна и фи-тохимические вещества, обладающие противораковыми свойствами. Овес является источником растворимых пищевых волокон и фитохимикатов, имеющих важное нутрицевтическое значение, таких как авенантрамиды и авенакозиды А, В, обладающие противовоспалительными и антиоксидантными свойствами [9–11].

Овсяный β–глюкан. D-β-глюкан (β-глюкан) является наиболее растворимым волокном. β-глю-кан содержится в овсе и ячмене, в зернах овса содержание β-глюкана колеблется от 3 до 9 %

[12, 13]. Большая часть в-глюкана содержится в клеточных стенках эндосперма зерен. в-глюкан состоит из мономеров в-D глюкопиранозы (рис. 1) в линейной цепи, и мономеры связаны последовательными связями, которые разделены одиночными связями. Связь не бывает последовательной, и это считается причиной гибкости и растворимости в-глюкана. Связь также способствует высокой способности в-глюкана связывать воду [14-16].

Физиологические преимущества β–глюкана. Различные исследования показали зависимость пользы для здоровья от в-глюкана, влияющего на желудочно-кишечный тракт [17].

Продукты с низким гликемическим индексом (ГИ) связаны со снижением риска таких заболеваний, как диабет 2-го типа, сердечно-сосудистые заболевания и ожирение. Прием пищи с низким ГИ приводит к медленному повышению уровня глюкозы в крови, что приводит к снижению секреции инсулина по сравнению с пищей с высоким ГИ. Исследования показали, что в-глю-кан с высокой молекулярной массой обладает низкой гликемической реакцией. Реакция приводит к задержке всасывания углеводов и глюкозы, и как результат - к снижению реакции на инсулин [18-20].

Рис. 1. Структура D-β-глюкана из овса The structure of D-β-glucan from oats

Цель исследования - изучить физико-химические и функциональные свойства различных сортов овса для использования его в дальнейшем в качестве пищевых ингредиентов.

Задачи : определить физико-химические характеристики муки из пяти сортов овса, насыпную плотность пяти сортов овса по ГОСТ 3004693, изучить аминокислотный состав сортов овса с помощью гидролиза, исследовать микрофотографии образцов овсяной муки, показатели качества хлеба из смеси овсяной и пшеничной муки.

Объекты и методы. В качестве объектов в работе использовали пять сортов овса: Кречет, Аллюр, Иртыш, Яков, Комес.

Овес был правильно очищен от посторонних примесей для дальнейшего использования. После очистки, удаления посторонних примесей зерна овса измельчали с помощью циклонной мельницы в муку и пропускали через сетку размером 20 мм.

Физико-химические характеристики муки из пяти сортов овса были определены с использованием следующих методов.

• 1.    Содержание влаги в овсяной муке измеряли путем сушки при (130 ± 5) °C в соответствии с описанным методом по ГОСТ ISO 24557-2015.

• 2.    Для определения сырого белка использовали метод Кьельдаля по ГОСТ Р 54607.7-2016.

• 3.    Содержание жира в образцах муки определяли с помощью аппарата Сокслета в соответствии с ГОСТ 29033-91.

• 4.    Сырую клетчатку оценивали путем переваривания обезжиренных образцов овсяной муки в 1,25 %-й серной кислоте с последующим 1,25 %-м раствором гидроксида натрия в соответствии с ГОСТ 31675-2012.

• 5.    Содержание золы оценивали путем воспламенения образца массой 5 г в муфельной печи при температуре 550 °C. Остаток после сжигания охлаждали в эксикаторах и взвешивали (ГОСТ 26312.5-84).

• 6.    Сорта овса были проанализированы на предмет массы 1000 зерен (ГОСТ ISO 520-2014) и насыпной плотности (ГОСТ 30046-93).

• 7.    Аминокислотный состав различных сортов овса определяли следующим образом: сначала образец подвергали гидролизу 30 мл 6 Н HCl. Затем образец инкубировали при 130 °C в течение 24 ч.

Результаты и их обсуждение. Результаты физико-химических характеристик различных сортов овса представлены в таблице 1. Среди сортов масса 1000 зерен значительно разли- чается и варьируется в диапазоне от 29,63 до 36,74 г. Самые высокие и самые низкие показатели были показаны у образцов № 1 и 2 соответственно.

Физико-химическая характеристика сортов овса позволит изучить их потенциал для использования в пищевой промышленности. Предварительный анализ зерна различных сортов овса приведен в таблице 1.

Таблица 1

Образец	Белки, г	Сырая клетчатка, г	Жир, г	Влажность	Содержание золы, г	Масса тысячи зерен, г
№ 1 – Кречет	7,62÷0,06	13,56÷0,02	6,67÷0,01	6,39÷0,05	5,07÷0,01	29,63÷0,01
№ 2 – Аллюр	8,56÷0,07	13,58÷0,02	6,38÷0,01	7,80÷0,01	3,02÷0,02	36,74÷0,02
№ 3 – Иртыш	11,12÷0,05	11,34÷0,02	6,31÷0,01	6,86÷0,01	3,05÷0,01	30,35÷0,04
№ 4 – Яков	8,95÷0,06	18,76÷0,02	6,15÷0,01	9,55÷0,01	4,68÷0,01	33,38÷0,01
№ 5 – Комес	13,88÷0,05	14,75÷0,02	6,15÷0,01	6,75÷0,05	6,09÷0,01	35,24÷0,05

Физико-химические характеристики различных сортов овса Physico-chemical characteristics of various varieties of oats

Содержание белка среди сортов значительно различается и находится в диапазоне от 7,62 до 13,88 г. Содержание сырой клетчатки среди сортов варьировалось от 11,34 до 18,76 г. Образец № 4 показал самое высокое содержание сырой клетчатки. Клетчатка является важным питательным компонентом, имеющим большую функциональную направленность. Она играет регулирующую роль для различных физиологических функций, начиная от регуляции и заканчивая лечением хронических заболеваний. Также она выполняет несколько функций, которые способствуют лучшему перевариванию пищи и поддержанию здоровья кишечника.

Образцы № 1, 2 были статистически на одном уровне с точки зрения содержания клетчатки. Содержание жира среди сортов варьировалось от 6,15 до 6,67 г. Самое высокое содержание жира наблюдалось в образце № 1 – у сорта Кречет. Содержание золы среди сортов варьировалось от 3,02 до 6,09 г. Влажность у исследуемых образцов варьировалось от 9,55 до 6,39.

Функциональные свойства овсяной муки. Функциональное исследование определяет пригодность тестируемых сортов для различных операций по производству и переработке пищевых продуктов. Благодаря более высокому содержанию β-глюканов овсяная мука обладает более высоким коэффициентом водопоглоще-ния. Содержание глобулина в овсяной муке улучшает ее пригодность для хлебопекарной промышленности. Результаты, относящиеся к функциональным характеристикам, указаны в таблице 2.

Водопоглощающая способность зависит от гидрофильности полярных или заряженных боковых цепей биомакромолекул, таких как углеводы и белки в муке. Водопоглощающая способность муки влияет на ее кулинарные свойства и характеристики продукта. Водопоглощающая способность значительно различалась у разных сортов и составляла от 172,56 до 188,99 %. Полярная аминокислота в муке определяет водопоглощающую способность. Самая высокая водопоглощающая способность может быть обусловлена увеличением содержания амилозы, выщелачиванием и потерей кристаллической структуры растворимого крахмала. Мука с большей фракцией полисахаридов обладает гораздо большей водопоглощающей способностью по сравнению со всеми остальными.

Белок влияет на способность поглощения масла, обладая как гидрофильной, так и гидрофобной природой.

Неполярная боковая цепь аминокислоты может образовывать гидрофобную ассоциацию с липидами в муке. Маслопоглощающая способность у исследуемых сортов значительно отличалась друг от друга с точки зрения эмульсионной активности. Низкая гибкость белковой пленки образует большие пузырьки воздуха и имеет большую склонность к разрыву, следовательно, снижает пенообразующую способность. Основным компонентом, влияющим на способность поглощения масла, является белок, состоящий как из гидрофильной, так и из гидрофобной части. Также неполярные аминокислотные боковые цепи способны взаимодействовать с углеводо- родными цепями липидов посредством гидрофобных взаимодействий. Маслопоглощающая способность сортов находился в диапазоне

185,23–219,00 %. Образец № 4 обладал наибольшей способностью поглощения масла, наименьшая была у образца № 5.

Таблица 2

Образец	Водопоглощающая способность	Маслопоглощающая способность	Пенообразующая способность
№ 1	174,33÷3,20	188,67÷5,00	6,66÷0,61
№ 2	181,00÷4,10	197,00÷5,01	20,00÷1,00
№ 3	183,45÷5,10	209,00÷5,45	17,00÷1,00
№ 4	188,99÷4,03	219,00÷7,54	10,00÷1,00
№ 5	172,56÷3,04	185,23÷7,56	8,55÷0,61

Функциональные свойства овсяной муки, %

Functional properties of oatmeal, %

Способность к пенообразованию среди сортов варьировалась от 6,66 до 20,00 %. Максимальную пенообразующую способность показал образец № 2, сорт Аллюр.

Аминокислотный состав сортов овса. Белок является важным структурным и функциональным питательным ингредиентом. Пита-

тельные качества белка определяются аминокислотным составом и усвояемостью. Незаменимые аминокислоты вносят вклад в питательные качества белка. Аминокислотный состав овсяной муки из разных сортов овса, представлен в таблице 3.

Таблица 3

Аминокислотный состав овсяной муки из разных сортов овса, г, кг–1 в пересчете на сухой вес Amino acid composition of oatmeal from different varieties of oats, g, kg–1 in terms of dry weight

Аминокислота	Образец № 1	Образец № 2	Образец № 3	Образец № 4	Образец № 5
Изолейцин	4,19	4,02	4,0	3,93	4,24
Лейцин	9,06	8,57	8,99	8,77	9,02
Треонин	4,06	3,93	4,09	4,05	4,17
Лизин	3,62	3,44	3,58	3,45	3,61
Метионин	1,17	1,12	1,45	1,39	1,63
Фенилаланин	4,83	4,83	5,33	3,94	5,29
Валин	4,15	5,87	5,36	5,28	5,92
Гистидин	2,98	2,86	3,57	3,32	3,53
Серин	4,92	4,75	5,05	4,96	5,07
Пролин	6,69	6,82	6,83	6,61	6,96
Тирозин	3,11	3,37	3,44	3,42	3,42
Аланин	5,08	4,88	5,27	5,01	5,27
Аргинин	9,25	9,13	9,39	9,52	9,64
Аспарагиновая кислота	8,10	7,90	8,12	8,04	8,19
Глутаминовая кислота	22,91	22,38	22,77	23,61	24,02
Глицин	5,27	5,26	5,58	5,53	5,69

Сумма незаменимых аминокислот варьировалась от 34,06 до 37,41 г кг–1. Самое высокое содержание незаменимых аминокислот было показано у образца № 5. Несущественное содержание аминокислот в сортах варьировалось от 64,49 до 68,26 г кг–1.

Овес является лучшим источником как незаменимых, так и заменимых аминокислот. Усло- вия выращивания, сортовые различия, погодные условия могут влиять на содержание белка и способствовать увеличению содержания незаменимых и заменимых аминокислот в различных сортах.

Пенообразующая способность овсяной муки. Мука способна образовывать пену благодаря поверхностно-активным растворимым бел- кам в непрерывных водных фазах. Овес является единственным злаком, содержащим глобулин. Пенообразующая способность овсяной муки представлена в таблице 4. Значения пенообразующей способности значительно варьировались с изменением pH.

Мука при рН 2, 4, 6, 8 и 10 показала значения в диапазоне 12,003–32,433; 26,513–43,966; 25,87–31,633; 9,136–30,103 и 11,926–67,303

соответственно. Пенообразующая способность и стабильность в основном зависят от способности белков уменьшать поверхностное натяжение путем образования межфазной пленки, которая поддерживает пузырьки воздуха в суспензии и замедляет их слияние. Помимо белков, пенообразующая способность муки также зависит от углеводов.

Таблица 4

Образец	рН = 2	рН = 4	рН = 6	рН = 8	рН = 10
№ 1	32,433±0,378	43,966±0,251	31,633±0,550	30,103±0,985	67,303±1,058
№ 2	25,333±1,527	36,306±0,100	26,966±0,838	25,593±0,467	66,213±0,015
№ 3	25,366±0,763	33,579±3,792	26,633±1,350	25,446±0,688	65,15±0,992
№ 4	13,206±2,155	27,433±0,404	27,166±0,089	9,803±0,453	12,793±2,095
№ 5	12,003±2,207	26,513±0,345	25,87±1,238	9,136±0,236	11,926±1,523

Способность овсяной муки к пенообразованию The ability of oatmeal to foam

Пенообразующую стабильность при различном рН изучали в течение 1 ч. Наблюдалась значительная разница в стабильности пены, поскольку рН варьировался от 2 до 10. Самая высокая стабильность пены наблюдалась при рН 4–6 по сравнению с другими рН. Возможная причина может быть связана со стабильными конформациями белков в их изоэлектрических точках или более высокой растворимостью белков при рН.

Микрофотографии овсяной муки. Микрофотография трех сортов овсяной муки показана на рисунке 2.

а

б

в

Рис. 2. Электронная микрофотография овсяной муки: а – мука сорта Аллюр; б – мука сорта Яков; в – мука сорта Комес

Electronic micrography of oat flour: a – Allure flour; б – Yakov flour; в – Komes flour

Образцы муки показали наличие как мелких, так и крупных гранул крахмала, овальной или неправильной формы, с гладкой поверхностью, имеющей некоторые вмятины или трещины, и поврежденные крахмалы с разными размерами. Средний размер гранул образцов овсяного крахмала находился в пределах 1,5–6,6 мкм в муке сорта Аллюр, 1,1–5,2 мкм в муке сорта Яков и 1,7–6,8 мкм в муке сорта Комес. Было обнаружено, что средний размер гранул овсяно- го крахмала варьируется от 3 до 10 мкм. Гранулообразная форма и распределение крахмала по размерам являются уникальными свойствами, которые влияют на функциональность муки.

Для хлеба из смеси овсяной (сорт овса Яков) и пшеничной муки первого сорта исследовали физико-химические показатели качества (табл. 5). В качестве контрольного образца исследовали хлеб, испеченный из 100 % муки пшеничной первого сорта.

Таблица 5

Показатель	Овсяная мука, %
	0	10	20	30	40	50	60
Объем хлеба на единицу массы, см3/г	2,60	2,50	2,50	2,47	2,10	1,7	1,4
Воздухопроницаемо-сть мякиша, %	68,10	68,0	67,80	67,50	65,10	60,00	55,68
Кислотность мякиша, град.	1,60	1,70	1,70	1,75	1,97	2,50	2,67
Влажность мякиша, %	37,80	38,10	38,30	38,00	37,50	39,25	40,00
Формоустойчивость подового хлеба	0,65	0,63	0,63	0,61	0,55	0,62	0,76

Физико-химические показатели качества хлеба

Physico-chemical indicators of bread quality

Применение 60 % овсяной муки в рецептуре теста привело к ухудшению структуры мякиша, выраженному в снижении его пористости на 20 % относительно контрольного образца. Увеличение содержания овсяной муки в диапазоне 50–60 % привело к уменьшению удельного объема хлеба на половину. Высокая способность овсяной муки поглощать воду способствовала увеличению влажности мякиша на 10 %. Формоустойчивость подового хлеба повысилась незначительно, что обусловлено трансформацией соотношения глютелинов и глиадинов в тесте при добавлении овсяной муки. Отмечалось снижение общего качества хлеба, изготовленного из пшеничной и овсяной муки, по мере увеличения доли овсяной муки в смеси. Для детального понимания наблюдаемых эффектов было проведено исследование характеристик сырой клейковины (рис. 3, 4).

Рис. 3. Изменение количества сырой клейковины при использовании овсяной муки Changes in the amount of raw gluten when using oat flour

Рис. 4. Влияние овсяной муки в рецептуре на качество сырой клейковины The effect of oatmeal in the formulation on the quality of raw gluten

За счет клейковинообразующих фракций белка в смеси происходит понижение клейковины. Данный факт подтверждается за счет поперечных связей между молекулами белка. При добавлении в смесь более 30 % овсяной муки происходит резкое снижение количества сырой клейковины в смеси. Качество клейковины по мере увеличения доли овсяной муки в смеси также меняется.

Заключение . Результаты физико-химических характеристик сортов овса показал, что масса 1000 зерен значительно различается и варьируется в диапазоне от 29,63 до 36,74 г. Самые высокие и самые низкие показатели были показаны у образцов № 1 и 2.

Содержание белка среди сортов овса различается и находится в диапазоне от 8,95 до 13,88 г. Содержание сырой клетчатки среди сортов варьируется от 11,34 до 18,76 г. Образец № 4 показал самое высокое содержание сырой клетчатки.

Образцы № 1 и 2 статистически на одном уровне с точки зрения содержания клетчатки. Содержание жира среди сортов варьировалось от 6,15 до 6,67 г. Самое высокое содержание жира наблюдалось в образце № 1 – у сорта Кречет. Содержание золы среди сортов варьировалось от 3,02 до 6,09 г. Влажность у исследуемых образцов варьировалась от 9,55 до 6,39.

Водопоглощающая способность значительно различалась у разных сортов и составляла от 172,56 до 188,99 %.

Маслопоглощающая способность сортов находилась в диапазоне 185,23–219,00 %. Образец

№ 4 обладал наибольшей способностью поглощения масла, наименьшая была у образца № 5.

Способность к пенообразованию среди сортов варьировалась от 6,66 до 20,00 %. Максимальную пенообразующую способность показал образец № 2, сорт Аллюр.

Самое высокое содержание незаменимых аминокислот было показано у образца № 5. Несущественное содержание аминокислот в сортах варьировалось от 64,49 до 68,26 г кг–1.

Мука при рН 2, 4, 6, 8 и 10 показала значения пенообразующей способности в диапазоне от 12,003–32,433; 26,513–43,966; 25,87–31,633; 9,136–30,103 и 11,926–67,303.

При исследовании микрофотографии выявили, что средний размер гранул образцов овсяного крахмала находился в пределах 1,5–6,6 мкм в муке сорта Аллюр, 1,1–5,2 мкм в муке сорта Яков и 1,7–6,8 мкм в муке сорта Комес. Было обнаружено, что средний размер гранул овсяного крахмала варьируется от 3 до 10 мкм.

Применение 60 % овсяной муки в рецептуре теста привело к ухудшению структуры мякиша, выраженному в снижении его пористости на 20 % относительно контрольного образца. Увеличение содержания овсяной муки в диапазоне 50–60 % привело к уменьшению удельного объема хлеба наполовину. Высокая способность овсяной муки поглощать воду способствовала увеличению влажности мякиша на 10 %. Формоустойчивость подового хлеба повысилась незначительно, что обусловлено трансформацией соотношения глютелинов и глиадинов в тесте при добавлении овсяной муки.