Исследование состава сахаров в хлебцах хрустящих, обогащенных яблочным порошком

Производство продуктов здорового питания является одним из важных путей улучшения состояния здоровья населения и увеличение продолжительности жизни. Интенсивно расширяющаяся линейка таких товаров продукты функционального и специализированного назначения [1–3].

Особого внимания заслуживают продукты на основе растительного сырья, в том числе и с применением функциональных ингредиентов в производстве изделий, которые не изменяют органолептические свойства продукта, однако способствуют снижению его калорийности [4–5].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Обогащение хлебобулочных изделий открывает возможности направленной биокоррекции организма с целью профилактики и лечения широкого круга заболеваний [6–9].

Использование в рецептуре хлебцев хрустящих яблочного порошка оказывает влияние на параметры технологического процесса производства и физико-химические показатели качества готового продукта [10].

В настоящее время инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) широко используется для качественного анализа продуктов и для установления конфигурации и типов гликозидных связей, обнаружения водородных связей, различных функциональных групп и т.д. [11–13].

Исследования в области ИК- спектроскопии яблочного порошка в составе рецептур хлебцев хрустящих в разном процентном соотношении достаточно малочисленны и направлены преимущественно на установление наличия каких-либо функциональных групп.

Целью настоящего исследования являлось проведение качественного анализа моносахаридного состава хлебцев от введения в их рецептуру яблочного порошка в различных пропорциях.

Материалы и методы

Инфракрасная спектроскопия позволяет определять характерную частоту колебаний органических соединений, а в сложных белках и углеводах – характерные частоты функциональных групп. Важным результатом является обнаружение интервала частоты, который соответствует определенному колебанию атомной группировки. Каждый интервал частот будет соответствовать частоте структурно-родственных молекул, имеющих в своем составе данную группировку. Пики, входящие в данную группу, позволяют идентифицировать органические соединения (O-H, N-H, C-H, S-H). Инфракрасные спектры возникают за счет переходов между колебательными и вращательными уровнями основного электронного состояния при поглощении падающего излучения. Не все колебания сопровождаются изменением электрического дипольного момента µ связи, поэтому не все колебания могут быть обнаружены. Колебание становится активным в ИК-спектре при условии, что первая производная по нормальной координате не равна нулю: dµ/dr ≠ 0. В силу этого свойства полярные соединения соответствуют самым интенсивным полосам [14].

ИК-спектр делится на три области: ближнюю – от 12000 до 4000 см-1, среднюю – от 4000 до 200 см-1, дальнюю – от 200 до 10 см-1. Дальняя область позволяет обнаружить тяжелые молекулы органических соединений, ближняя – легкие молекулы: воду, углекислый газ и т. д. Интервал частот 4000–2500 см-1 принадлежит области валентных колебаний простых связей X–II: O-H, N-H, C-H, S-H, а для валентных колебаний простых связей типа X–V: C-C, C-N, C-O и деформационных колебаний простых связей X–II: C-H, O-H, N-H – 1500–500 см-1. Область определения функциональных групп лежит в интервале от 3600

Интервалу от 1300 до 200 принадлежит область валентных колебаний: C-C, C-N, C-O и деформационных колебаний: C-H, N-H, O-H.

Повышенной информативностью обладают соединения двух областей: 3600–2100 и 2100–1200 см-1, а при обнаружении характерных полос колебаний в этих областях для подтверждения необходимо проверить область 1200 – 200 см-1.

Для определения природы углеродного остова подразделяют три типа колебаний: С-Н – деформация, С-С – деформационное колебание кольца и С-Н колебание.

На длине волны 3100 – 3000 см-1 обнаружена =С-Н в ароматических соединениях, а – С – Н приходится на 3000 см-1 для насыщенных алифатических углеводородов.

Ароматические углеводороды проявляют С-С деформационное колебание кольца в областях: 1600–1585 см-1 и 1500–1400 см-1. Простые ковалентные связи С-H определяются в интервале 900–675 см-1 и в зависимости от волнового числа проявляют различную гибридизацию: для sp3 – от 2850 до 3000 см-1, для sp2 – более 3000 см-1, для sp соответствует ~ 3300 см-1. Слабое поглощение в интервале 3080–3030 см-1 сопутствующее среднему поглощению в области 1600–1475 см-1, колебаний кольца соответствует наличию ароматического кольца. Сигнал в районе 1605 см-1 является следствием ароматичности молекулы. Неароматичность молекулы определяется отсутствием сильного поглощения в области 900–600 см-1 [15, 16].

С-С связь бывает различных типов, и для ее определения также используется спектральный метод. При наличии C=C-связи возникает сигнал в области 1680–1640 см-1. В интервале 2260–2100 см-1 обнаруживается соединение – С≡С– Деформационное колебание =С-Н группы наблюдается в интервале 1000–650 см-1 а группы – С≡С-Н – 700–600. Валентные колебания – С≡С-Н наблюдаются в 3330–3270 см-1 Наличие дублета при волновом числе 1380 см-1 означает наличие более чем одной метильной группы у одного углерода [17].

Для определения С=О группы необходимо провести анализ спектра в области 1820–1660 см-1. При ее наличии следует продолжить рассмотрение. Если наблюдается две слабые полосы поглощения в 2850 и 2750 см-1, то обнаруживается поглощение на нижнем значении волнового числа группы C-H. Этот эффект возникает из-за валентных колебаний О=С-Н, связи возле 2830 см-1 перекрываются обычно с валентными колебаниями С-Н. Тем не менее наличие умеренной связи в области 2720 см-1 поможет определить, является ли соединение альдегидным (возникает ли плечеобразный пик). Широкая полоса в интервале 3300–2500 см-1 с максимумом в середине интервала наблюдается вследствие валентных колебаний О-Н-группы карбоксильных кислот, так как они, в основном, образуют водород-связанные димеры. Две или более сильно поглощающие связи в области 1300–1000 см-1 возникают из-за валентных колебаний С-О в эфирах. Если ни один из приведенных случаев не наблюдается, то это означает, что исследователь имеет дело с кетонной молекулой [18, 19].

Результаты

Внесение в рецептуру хлебцев хрустящих яблочного порошка приводит к повышению кислотности, о чем свидетельствую данные по результатам исследования физико-химических показателей [9].

В продуктах, содержащих яблочное сырье, присутствуют продукты, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Состав кислот, содержащихся в яблочном сырье

Table 1.

Composition of acids contained in Apple raw materials

Наименование кислоты Name of the acid	Содержание, % Content, %
Яблочная кислота | Apple acid	72–82
Лимонная кислота | Lemon acid	2–4
Янтарная кислота | Amber acid	6–9
Летучие кислоты | Volatile acid	1–4

Повышение кислотности в продукте прямо пропорционально увеличению концентрации яблочного порошка. Нарастание кислотности коррелируется со снижением рН.

В технологии производства хлебцев, в связи с этим, следует сократить процесс брожения до 30-40 мин, в зависимости от количества вносимого порошка.

Состав органических кислот оказывает непосредственное влияние на органолептические характеристики хлебцев. В связи с этим, в образцах определяли содержание яблочной и суммы летучих кислот.

Внесение яблочного порошка в состав теста приводило к незначительному увеличению количества летучих кислот при общем повышенном содержании кислот. Соответственно, послевкусие в хлебцах с яблочным порошком определяется не увеличением процентного содержания летучих кислот, а возрастанием удельного веса яблочной кислоты, что также определяет закономерное снижение рН в процессе брожения теста с яблочным порошком.

При добавлении яблочного порошка продолжительность клейстеризации крахмала и температура клейстеризации возрастают. В наибольшей степени на это влияние оказывает яблочный порошок, что объясняется высоким содержанием пектина.

При отработке технологического процесса экспериментально установлено, что яблочный порошок в достаточной мере стимулирует процесс брожения теста, что позволило сократить продолжительность созревания теста до 30-40 мин и на 15 мин продолжительность расстойки.

Качество готовой продукции зависит от вида и количества добавки. В большей степени порошок улучшает объем хлебцев, пористость. Внесение яблочного порошка более 15% влияет на цвет готовой продукции, значительно затемняя его до темно-коричневого. Таким образом, вносимый яблочный порошок можно добавлять в рецептуру хлебцев в количестве, не превышающем 15% к массе муки.

ИК-спектры образцов с добавлением 10%, 15% и 20% яблочного порошка соответственно (рисунки 1–5).

Рисунок 1. Яблочный порошок, спектры

Figure 1. Apple powder, spectra

Рисунок 2. Спектры образца № 1 с 10% яблочного порошка

Figure 2. Spectra of sample no. 1 with 10% Apple powder

Рисунок 3. Спектры образца № 2 с 15% яблочного порошка

Figure 3. Spectra of sample no. 2 with 15% Apple powder

Рисунок 4. Спектры образца № 3 с 20% яблочного порошка

Figure 4. Spectra of sample no. 3 with 20% Apple powder

Рисунок 5. Спектры яблочного порошка и образцов № 1, 2, 3

Figure 5. Spectra of Apple powder and samples no. 1, 2, 3

В полученных ИК-спектрах всех трех образцов хлебцев присутствуют все колебания, соответствующие характерным полосам колебаний для яблочного порошка. На наличие неэтерифицированных карбоксильных групп, в образцах №1 и №3 указывает соответствующая частота колебаний ~1730 см- 1 при диапазоне волн 1740-1700 см-1, а частоты колебаний 1155 см-1, 1105-1100 см-1, ~1075 см-1, 1050 см-1, 1025-1010 см-1 находятся в области колебания скелета молекулы.

Обсуждение

При исследовании на приборе ИК-Фурье, по спектрам снятым при анализе яблочного порошка из яблок сорта «Антоновка» легко можно выявить его моносахаридный состав. Для детального рассмотрения и выявления наличия в исследуемом образце яблочного порошка присутствие моносахаридов в качестве аналога были использованы спектры простых сахаров, описанные в работе В.А. Седаковой [20], которые представлены на рисунке 6.

На спектрограмме достаточно хорошо видны пики моносахаридов: галактозы, фруктозы, маннозы, арабинозы, дисахарида. В ходе проведенного исследования пики, представленные на рисунке 6 и полученные при исследовании образца яблочного порошка из сорта яблок «Антоновка» (рисунок 1) свидетельствуют о совпадении частот колебаний как минимум по трем полосам. При дальнейшем исследовании образцов хлебцев с внесённым в рецептуру дополнительным компонентом в виде уже изученного яблочного порошка в количестве 10%, 15%, и 20% соответственно имеет место наличие полос пропускания, что свидетельствует о идентификации полученных спектров – спектру сахарозы. Анализируя пики на наличие и соответствие галактозы, можно сделать вывод о том, что имеет место совпадения соответствующих валентным колебаниям связей, представленным в таблице 2.

Рисунок 6. Спектры простых сахаров

Figure 6. Spectra of simple sugars

Таблица 2.

Валентные колебания связей

Table 2.

Stretching vibrations of the relations

Тип колебаний Type of oscillation	Частота колебаний Oscillation frequency
	Галактоза | Galactose	Арабиноза | Arabinose	Манноза | Mannose
Вибрационные колебания пиранозных колец, см-1 Vibrational vibrations of pyranose rings, cm-1	-	930–990	-
Колебания простых эфирных связей, см-1 Fluctuations of simple etheric bonds, cm-1	-	-	1022
С-О-группа, см-1 | С-О-group, cm-1	1060–1080	1077–1078	-
С-С-группа, см-1 | С-О-group, cm-1	1110–1200	-	1154
Деформационные колебания ОН-групп в недиссоциированных карбоксильных группах, см-1 Deformation oscillations OH-group of non dissociated carboxyl groups, cm-1	1239	1154	1239

Так как присутствуют совпадения по трем пикам (рисунок 5), то можно предположить о наличии в составе хлебцев моносахарида, такого как галактоза. Что касается исследований по наличию в составе трех образцов хлебцев фруктозы, то однозначно заявлять об этом нельзя, так как имеется всего одно совпадение на полученных спектрах, из чего можно сделать заключение, что ее присутствие в хлебцах маловероятно.

По ИК-спектрам, также можно утверждать о наличии арабинозы и маннозы, о чем свидетельствуют совпадения по трем пикам. Следовательно, арабиноза и манноза входят в состав изучаемых образцов хлебцев, что подтверждает теоретические данные.

Заключение

В результате сравнительного анализа ИК-спектров яблочного порошка полученного из яблок сорта «Антоновка», произрастающих в Курской области, трех образцов хлебцев хрустящих с внесением яблочного порошка в рецептуру в количестве 10%, 15%, 20% соответственно было определено влияние яблочного порошка, на состав моносахаридов в хлебцах хрустящих.

С использованием ИК-спектроскопии определяется наличие моносахаридов в продукте. Изменение дозировки (увеличение с 10 до 20%) вносимого яблочного порошка на наличие пиков не влияет, а лишь указывает на присутствие в составе галактозы, арабинозы и манноза.

Таким образом, сравнительный анализ спектров яблочного порошка моносахаридов, всех трех образцов хлебцев показал следующий моносахаридный состав: галактоза, арабиноза, манноза и, предположительно, сахароза.