Научное обоснование технологических подходов к созданию углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий на основе зернового сырья Казахстана

МРНТИ 65.33.29                                   

В последние десятилетия во всем мире наблюдается устойчивый рост алиментарно-зависимых заболеваний, включая ожирение, сахарный диабет 2 типа, сердечно-сосудистые и метаболические нарушения. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, распространенность ожирения и нарушений углеводного обмена продолжает увеличиваться, что связано с изменением структуры питания населения и ростом потребления продуктов с высоким содержанием быстроусвояемых углеводов [1]. Современные исследования показывают, что не только количество углеводов, но и их качественный состав оказывает существенное влияние на гликемический ответ, развитие инсулино-резистент-ности и нарушения липидного обмена [2].

В последние годы сформировалась концепция «углеводное качество», согласно которой оценка углеводного профиля пищевых продуктов должна учитывать содержание пищевых волокон, свободных сахаров, резистентного крахмала и медленноусвояемых углеводов [3]. Одним из наиболее распространенных критериев качества углеводов является соотношение «углеводы: пищевые волокна» 10:1, позволяющее характеризовать физиологическую ценность продуктов и их потенциальное влияние на метаболическое здоровье [4].

Хлебобулочные изделия являются продуктами ежедневного потребления и занимают значительное место в рационе населения Казахстана. Однако, традиционный хлеб характеризуется высоким содержанием доступного крахмала и сравнительно низким количеством пищевых волокон, что ограничивает его физиологическую ценность [5]. В связи с этим одним из актуальных направлений современной пищевой промышленности является разработка углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий с улучшенным углеводным профилем [6].

Наиболее перспективным путем в этом направлении, на основе анализа данных источников, признано использование зернового сырья, отличающегося повышенным содержанием функционально значимых углеводных компонентов, в том числе, пищевых волокон. В связи с этим, наибольший интерес представляют ячмень, гречиха и кукуруза, отличающиеся повышенным содержанием крахмала, пищевых волокон, в-глюканов и сопутствующих биологически активных веществ, что позволяет рассматривать их как сбалансированную зерновую основу для регулирования углеводного профиля хлебобулочных изделий.

Так, ячмень отличается содержанием в-глюканов — водорастворимых полисахаридов, способных повышать вязкость пищевой массы и, тем самым, замедлять ферментативный гидролиз крахмала и диффузию глюкозы [8, 9]. Гречиха же представляет интерес как источник пищевых волокон, фенольных соединений и углеводов с более низкой скоростью усвоения, что характеризует ее как перспективный компонент для производства функциональных хлебобулочных изделий [10, 11]. Кукуруза, в свою очередь, характеризуется высоким содержанием крахмала и может рассматриваться как технологически значимый компонент при моделировании углеводного состава изделий. Таким образом, использование ячменя, гречихи и кукурузы в хлебобулочных изделиях позволяет направленно регулировать соотношения доступных углеводов и пищевых волокон. Следует также учесть, что существенную роль при этом играют и методы технологической обработки сырья, позволяющие дополнительно изменять структуру углеводного комплекса и его доступность для гидролиза. Так, экструзионная обработка позволяет изменять структуру крахмала, регулировать степень его желатинизации и повышать содержание растворимых пищевых волокон [12]. По данным Fang et al. [13], правильно подобранные режимы экструзии способствуют образованию медленноусвояемых и резистентных фракций крахмала.

Не менее важным направлением является биотехнологическая модификация зернового сырья, включающая процессы ферментации и регулируемого действия ферментных систем. Современные исследования показывают, что ферментация способствует снижению содержания фитатов, повышению биодоступности минеральных веществ и изменению структуры углеводного комплекса [14]. Кроме того, образование органических кислот при ферментации способствует ограничению скорости гидролиза крахмала и снижению гликемического ответа [15].

Несмотря на значительное количество исследований в области функционального питания, вопросы научного обоснования выбора зернового сырья Казахстана и технологических подходов к созданию углеводносбалансированных хлебобулочных изделий остаются недостаточно изученными.

Целью настоящего исследования явилось научное обоснование выбора зернового сырья и технологических подходов к созданию углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий на основе сырья Казахстана.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись мягкая пшеница сортов «Айна» и «Караганда 31», кукуруза сортов «Монсанто» и «Пионер», ячмень сорта «Карабалыкская 150», а также зелёная гречиха. В качестве функционального компонента рассматривался пектин.

Оценка качества зернового сырья включала определение: влажности по ГОСТу 13586.52015 «Зерно. Метод определения влажности»; натуры зерна по ГОСТу 10840-2017 «Зерно. Метод определения натуры»; массы 1000 зерен по ГОСТу 10842-89 «Зерно зерновых и бобовых культур и семена масличных культур. Метод определения массы 1000 зерен или 1000 семян»; содержания крахмала по ГОСТу 10845-98 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения крахмала»; содержания протеина по ГОСТу 10846-91 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка»; углеводного состава по ГОСТу 29177-91 «Зерно. Методы определения состояния углеводно-амилазного комплекса».

На основании литературных данных и результатов проекта проведен анализ перспектив применения: β-глюканов; пищевых волокон; экструзии; биотехнологической модификации; гидроколлоидов; ферментативного регулирования углеводного комплекса.

Результаты и их обсуждение

Углеводная сбалансированность как основа разработки функциональных хлебобулочных изделий. Современная концепция углеводной сбалансированности предполагает не простое снижение общего содержания углеводов, а формирование оптимального углеводного профиля продукта. Основными критериями являются снижение доли быстроусвояемых сахаров, повышение содержания пищевых волокон, увеличение количества медленноусвояемых углеводов и регулирование доступности крахмала для ферментативного гидролиза.

Для хлебобулочных изделий данный подход особенно важен, поскольку основная доля углеводов представлена крахмалом. Следовательно, задача технологии заключается не в полном ограничении крахмала, а в изменении его структурной организации и скорости гидролиза. Современные исследования показывают, что изменение доступности крахмала может достигаться за счет использования пищевых волокон, β-глюканов, гидроколлоидов, органических кислот и модификации крахмально-белковой матрицы [16].

По данным Skřivan et al. [17], включение зерновых компонентов с высоким содержанием пищевых волокон позволяет снижать гликемический индекс хлебобулочных изделий на 20– 30 %. Аналогичные результаты представлены в обзоре Naveed et al. [18], где отмечено, что зерновые и бобовые ингредиенты способны существенно ограничивать скорость повышения уровня глюкозы крови.

Анализ углеводного состава зернового сырья

Установлено, что углеводы являются основным компонентом исследуемых зерновых культур и формируют до 80 % сухой массы зерна. Основными представителями углеводного комплекса являются крахмал, декстрины, клетчатка и простые сахара.

10 0

■ Общее содержание углеводов, %

■ Крахмал и декстрины, г/100 г

■ Клетчатка, г/100 г

■ Простые сахара, г/100 г

Пшеница	Кукуруза	Ячмень	Гречиха
60	74	56	57
54,5	58,2	54,6	55,4
10,8	7,3	9,6	10,9
0,8	1,1	0	0

Рисунок 1. Углеводный состав исследуемых зерновых культур

Полученные результаты свидетельствуют о том, что кукуруза характеризуется максимальным содержанием углеводов, тогда как ячмень и гречиха отличаются повышенным содержанием пищевых волокон. Это подтверждает перспективность использования ячменя и гречихи в составе углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий.

Установлено, что для всех исследованных культур характерно преобладание крахмала и декстринов как основных резервных углеводов. При этом содержание простых сахаров остается сравнительно низким, что является благоприятным фактором при разработке продуктов с регулируемым гликемическим индексом.

Обоснование выбора зернового сырья. На основании комплексной оценки качества зернового сырья были выбраны наиболее перспективные культуры для разработки углеводносбалансированных хлебобулочных изделий.

100 0

■ Пшеница мягкая сорт «Айна»

■ Пшеница мягкая сорт «Караганда 31»

■ Кукуруза сорт «Мансанто»

■ Кукуруза сорт «Пионер»

■ Ячмень сорт Карабалык-ская 150

■ Гречиха

Влажнос ть,% 14	Натура, г/л 812	Масса 1000 зерен 43,16	Зерновая примесь 4,5	Сорная примесь 1,8	Крахмал 49,2	Протеин, % 13,2
14	726	29,12	5,6	3,3	47,7	12,8
12,9	755	387,78	0,3	0,2	72,8	8,3
13,4	735	275,9	0,2	0,1	72,8	7
12,1	667	48	0,51	1,5	61	14,6
16,2	746	28	0,7	1,8	68	12,5

Рисунок 2. Показатели качества исследуемого зернового сырья

Сравнительная характеристика исследованных сортов показала существенные различия их технологических свойств и химического состава. Так, среди образцов мягкой пшеницы более высокими показателями характеризовался сорт «Айна»: натура зерна составила 812 г/л против 726 г/л у сорта «Караганда 31», масса 1000 зерен — 43,16 и 29,12 г соответственно. Содержание крахмала у сорта «Айна» составляло 49,2 %, протеина — 13,2 %, тогда как у сорта «Караганда 31» — 47,7 и 12,8 % соответственно. Кроме того, зерновая и сорная примеси у сорта «Айна» составляли 4,5 и 1,8 %, у сорта «Караганда 31» — 5,6 и 3,3 %. Оценка полученных показателей позволила выбрать пшеницу сорта «Айна» в качестве основного пшеничного сырья для дальнейших исследований.

При сравнении образцов кукурузы содержание крахмала у сортов «Монсанто» и «Пионер» было одинаковым и составляло 72,8 %. В то же время, сорт «Монсанто» характеризовался более высокой натурой — 755 г/л против 735 г/л у сорта «Пионер», большей массой 1000 зерен — 387,78 против 275,9 г и более высоким содержанием протеина — 8,3 против 7,0 %. Содержание зерновой и сорной примесей у обоих образцов было низким и составляло соответственно 0,3 и 0,2 % для сорта «Монсанто» и 0,2 и 0,1 % для сорта «Пионер». На основании комплекса исследованных показателей для дальнейшей разработки углеводно-сбалансированных продуктов был выбран сорт «Монсанто».

Ячмень сорта «Карабалыкская 150» характеризовался содержанием крахмала 61,0 % и протеина 14,6 %, а гречиха — 68,0 и 12,5 % соответственно. По данным EFSA [19], β-глю-каны ячменя способны снижать гликемический ответ при достаточном содержании в продукте. Гречиха же рассматривается как источник пищевых волокон, антиоксидантов и медленноусвояемых углеводов. Исследования Sofi et al. [20] подтверждают перспективность гречихи для разработки функциональных хлебобулочных изделий.

С учетом особенностей углеводного состава данные культуры представляют интерес как дополнительные компоненты зерновых компо зиций при разработке углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий.

Таблица 1. Технологическая роль зерновых культур в формировании углеводной сбалансированности

Культура	Основная технологическая функция
Пшеница	Формирование структуры теста
Кукуруза	Источник крахмала
Ячмень	Источник в-глюканов
Гречиха	Источник пищевых волокон и антиоксидантов

Экструзия как способ регулирования углеводного профиля. Экструзионная обработка является одним из наиболее перспективных методов модификации углеводного комплекса зернового сырья. Установлено, что экструзия обеспечивает термомеханическое воздействие на зерновое сырье, приводящее к изменению структуры крахмала, частичному образованию декстринов и изменению структуры пищевых волокон.

Современные исследования показывают, что правильно подобранные режимы экструзии способствуют формированию медленноусвояемых и резистентных фракций крахмала [21]. По данным Fang et al. [13], экструзия может повышать содержание растворимых пищевых волокон и улучшать показатели, связанные с гликемическим индексом.

Полученные результаты подтверждают, что экструзия должна рассматриваться не только как технологический процесс, но и как инструмент направленного регулирования углеводного профиля хлебобулочных изделий.

Таблица 2. Технологические подходы к формированию углеводно-сбалансированных изделий

	Механизм действия	Роль в углеводной сбалансированности
Экструзия	Термомеханическая модификация крахмала и пищевых волокон	Изменение доступности крахмала и повышение доли растворимых волокон
Биотехнологическая модификация	Ферментация и регулируемое действие ферментных систем	Управляемый гидролиз углеводов и снижение гликемического отклика
р-глюканы и пищевые волокна	Повышение  вязкости  пищевой массы	Замедление  гидролиза  и  всасывания глюкозы
Пектин	Гидроколлоидное структурирование теста	Ограничение диффузии глюкозы и улучшение структуры мякиша

Биотехнологическая модификация углеводного комплекса. Биотехнологическая модификация зернового сырья, включающая процессы ферментации и применение ферментных систем, является одним из направлений регулирования углеводного состава хлебобулочных изделий. Анализ литературных данных показал, что ферментация приводит к частичной перестройке углеводного комплекса зерна, сопровождающейся гидролизом части крахмала и некрахмальных полисахаридов, накоплением органических кислот и снижением содержания некоторых антипитательных соединений, в том числе, фитатов. Результатом такого воздействия являются изменения не только химического состава сырья, но и доступности углеводов для последующего гидролиза в составе конечного продукта. По данным Alkay et al. [22], органические кислоты, образующиеся в процессе ферментации, способны замедлять гидролиз крахмала и, тем самым, снижать скорость повы- шения концентрации глюкозы в крови после употребления продукта.

При производстве углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий особый интерес представляет контролируемое использование амилолитических ферментов, прежде всего, а-амилазы, которая обеспечивает образование декстринов среднего размера без чрезмерного накопления простых сахаров, тогда как в-амилаза способствует более интенсивному накоплению мальтозы. И именно применение а-амилазы рассматривается как более предпочтительный способ регулирования углеводной сбалансированности, поскольку он позволяет регулировать доступность углеводов, не переводя значительную часть крахмала в простые сахара. То есть, для целей настоящей работы предпочтительна биотехнологическая модификация углеводного комплекса, направленная не на максимальное расщепление углеводов, а на управляемое изменение их структуры и скорости гидролиза.

Использование пектина в составе углеводно-сбалансированных изделий

В качестве одного из перспективных функциональных компонентов для разработки углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий выбран пектин. Анализ данных исследований по применению пектина в данном направлении показывает, что его использование представляет интерес как с технологической, так и с физиологической точки зрения. Пектин способен повышать влагоудерживающую способность теста, способствовать формированию более однородной структуры мякиша и стабилизировать пористость готовых изделий. Кроме того, для производства углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий представляет интерес способность пектина за счет гидроколлоидных свойств оказывать влияние на доступность крахмала для ферментативного гидролиза.

Кроме того, пектин способен ограничивать скорость гидролиза крахмала и диффузию глюкозы. По данным Qi et al. [23], добавление пектина в состав хлеба снижает перевариваемость крахмала и способствует улучшению углеводного профиля продукции.

Заключение

Проведенное сравнительное исследование зернового сырья позволило сделать обоснованный выбор компонентов для дальнейшей разработки углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий. Среди исследованных образцов мягкой пшеницы преимущество имел сорт «Айна»: натура составила 812 г/л, масса 1000 зерен — 43,16 г, содержание крахмала — 49,2 %, протеина — 13,2 %, тогда как для сорта «Караганда 31» данные показатели составляли соответственно 726 г/л, 29,12 г, 47,7 и 12,8 %. Из двух исследованных образцов кукурузы для дальнейших исследований выбран «Монсанто», характеризовавшийся при одинаковом с «Пионером» содержании крахмала 72,8 % более высокой натурой (755 против 735 г/л), массой 1000 зерен (387,78 против 275,9 г) и содержанием протеина (8,3 против 7,0 %).

Сравнительный анализ углеводного состава исследованных культур показал, что общее содержание углеводов составляло 60 % в пшенице, 74 % в кукурузе, 56 % в ячмене и 57 % в гречихе. Содержание крахмала и декстринов находилось в пределах 54,5–58,2 г/100 г, а клетчатки — 7,3–10,9 г/100 г. Наибольшее содержание клетчатки установлено в гречихе — 10,9 г/100 г и пшенице — 10,8 г/100 г, тогда как максимальное общее содержание углеводов отмечено в кукурузе — 74 %. Содержание прос- тых сахаров составляло 0,8 г/100 г в пшенице и 1,1 г/100 г в кукурузе; в исследованных образцах ячменя и гречихи простые сахара используемым методом не выявлены.

Выбранные зерновые культуры внесут вклад в получение углеводно-сбалансированных хлебобулочных продуктов. Так, пшеницу сорта «Айна» целесообразно рассматривать как структурообразующую основа у хлебобулочных изделий, кукурузу — как источник крахмала, а ячмень и гречиху — как компоненты для регулирования содержания пищевых волокон и функционально значимых углеводных фракций. На основании собственных экспериментальных данных и анализа современных исследований обоснована целесообразность дальнейшего сочетания выбранного зернового сырья с технологической модификацией углеводного комплекса — экструзией, ферментацией и применением гидроколлоидов. Полученные результаты являются основой для следующего этапа работы — разработки и экспериментальной оценки рецептур углеводно-сбалансированных хлебобулочных изделий.

Финансирование

Работа выполнена в рамках грантового финансирования Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан по проекту ИРН АР26104701 «Разработка инновационных технологий производства углеводно-сбалансированных хлебобулочных продуктов».