Перспективы применения полисахарида микробного происхождения ксантановая камедь в производстве безглютеновых продуктов

В плане реализации Концепции государственной политики в области здорового питания до 2020 г. и Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 г. одним из основных путей производства пищевых продуктов является создание технологий изготовления высококачественной продукции с направленно изменённым химическим составом и оптимизированным технологическим циклом производства. В пищевой инженерии сегодня особенно актуальна разработка безглютеновых мучных изделий. При этом решается проблема моделирования хлебопекарных свойств глютенсодержащих пшеничной и ржаной муки. Речь идет, прежде всего, об имитации структурообразующих свойств этих продуктов. В пшеничной муке основными структурообразующими компонентами являются клейковина и крахмал, а в ржаной муке – некрахмальные полисахариды и в меньшей степени – клейковина [1].

Под клейковиной понимается белковый комплекс, который содержится в таких сельскохозяйственных культурах, как пшеница, рожь и ячмень, и играет роль структурного элемента при формировании мякиша готового изделия. Разные зерновые обладают различным строением белков клейковины, что приводит к различным физико-химическим свойствам, делая клейковину либо токсичной, либо безопасной для пациентов, страдающих заболеваниями органов ЖКТ, в т. ч. целиакией [12].

Овес не содержит такой последовательности проламинов в клейковине, как пшеница, рожь и ячмень, и поэтому не является токсичным. Тем не менее, есть процент населе- ния с целиакией, которые чувствительны к авенину, специфическому белку, обнаруженному в овсе [15]. В целом, большинство относительно здоровых людей и носителей целиакии в состоянии употреблять овес без проявления специфической аллергии [14]. При этом включение овса в рацион приводит к увеличению разнообразия питательных веществ. Другой проблемой в отношении включения овса в безглютеновую диету является возможность его перекрестного загрязнения из-за контакта с пшеницей во время переработки зернопродуктов, что было рассмотрено авторами ранее [4].

Содержащийся в злаковых культурах глютен представляет собой смесь растительных белков – проламинов и глютелинов. Соотношение количества проламинов к количеству глютелинов в продуктах из разных злаковых культур примерно постоянно. Кроме того, что глютен в естественном виде содержится в пшенице, ржи, ячмене и др. сельскохозяйственных культурах, добавки глютена часто специально вносят при производстве пищевых продуктов, в основной состав которых не входят глютен-содержащие продукты. В последнем случае муку или глютен вводят как связующую, текстурирующую и влагоудерживающую добавку [7].

Поэтому одним из путей решения проблемы составления безглютенового рациона является использования так называемого «второстепенного» («альтернативного») сырья, до этого неиспользовавшегося в изготавливаемых продуктах в качестве основного компонента рецептуры [6, 16].

Для мучных кондитерских изделий мука – ключевой сырьевой компонент. Большую часть ассортимента мучных кондитерских изделий, в который входит печенье, пряники, вафли, торты, пирожные, кексы и др., изготавливают, как правило, из пшеничной муки высшего сорта [13].

Современные технологии позволяют лишь частично заменять муку пшеничного высшего сорта на второстепенные виды муки, получаемой из иных злаковых или бобовых сельскохозяйственных культур (амарантовая, гречневая, рисовая, кукурузная, соевая, гороховая, нутовая, чечевичная и т. д.). Целью, поставленной авторами данной статьи, являлось обоснование способа производства бисквитного полуфабриката с полной заменой пшеничной муки высшего сорта на безглюте-новые виды муки по отдельности и в смеси.

Стоит отметить, что подобная замена ключевого компонента рецептуры значительно ухудшит реологические свойства теста, и, в итоге, качество готового продукта. Так происходит из-за невозможности белков риса, кукурузы и сои сформировать клейковину, отвечающую за структуру мякиша готового изделия. Для некоторых видов продуктов, таких как хлебобулочные изделия, полное отсутствие клейковины крайне негативно сказывается на потребительских качествах. В бисквитных полуфабрикатах, напротив, сильная и разветвленная клейковина является нежелательной для формирования физических свойств мякиша, способствуя затягиванию бисквитного полуфабриката и уменьшению его удельного объема. Однако и полное отсутствие клейковины также недопустимо, так как приводит к грубым нарушениям текстуры мякиша [3]. Поэтому было необходимо провести анализ пищевых добавок, применяемых в производстве мучных кондитерских изделий с целью выбора дополнительного сырья, которое могло бы эмулировать свойства клейковины и положительно влияло на структурномеханические свойства как полуфабриката, так и готового изделия.

Как известно, гидроколлоиды широко используются во многих пищевых продуктах для улучшения потребительских характеристик и сроков годности при хранении изделий. В качестве загустителей они находят применение в различных супах, подливках, заправках для салатов и соусов, в то время как в качестве стабилизирующих агентов они широко используются в таких продуктах, как джем, желе, мармелад, реструктурированные продукты питания с низким содержанием сахара и/или жира [9].

Наиболее распространенным и многофункциональным загустителем-стабилизатором является ксантановая камедь – внеклеточный неусваиваемый полисахарид, представляющий собой продукт особого вида брожения микроорганизмов вида Xanthomonas campestris в процессе своей жизнедеятельности. Производство ксантановой камеди – сложный многоступенчатый процесс приготовления посевного материала, предусматривающий последующее брожение в танках из нержавеющей стали и выделение продукта спиртовым осаждением. Этот факт объясняет ограничение использования данного стабилизатора в алкогольных напитках из-за растворения его в спирте [8].

Для обоснования выбора данной добавки был проведен ее сравнительный анализ с яблочным пектином, так как именно пектин наиболее широко применяется при производстве мучных кондитерских изделий [2].

Основным сырьевым компонентом, входящим в предполагаемую рецептурную смесь для производства бисквитного полуфабриката из безглютенового сырья, являются следующие виды муки – рисовая, кукурузная, соевая, поэтому возникает необходимость оценки показателей качества.

В эксперименте анализировали гелеобразующую способность ксантановой камеди в сравнении с яблочным пектином. Результаты исследования гелеообразующей способности яблочного пектина и ксантановой камеди приведены в табл. 1.

Графики изменения вязкости в зависимости от дозировки ксантановой камеди и яблочного пектина в водных растворах при температуре 40 °С представлены на рис. 1. Тенденции изменения вязкости сохраняются и при 80 °С.

К технологическим недостаткам пектина следует отнести условия его выдерживания в растворах для набухания при 18–20 °C, дополнительное внесение сахарозы в раствор, необходимость активного механического перемешивания для равномерного внесения в бисквитное тесто и резкое уменьшение показателя вязкости при понижении рН. В результате этого наблюдается снижение устойчивости сформированной коллоидной системы и увеличение продолжительности структурооб-разования. При этом вязкость растворов ксан-тановой камеди высока при 10–100 °С и не зависит от pH раствора и вспомогательных веществ, которые негативно воздействуют на растворы пектина [8].

Традиционно ксантановая камедь в пищевой промышленности используется для приготовления соусов, мороженого, десертов и напитков. Добавление пектина в рецептуру продукта позволяет увеличить массовую долю пищевых волокон в изделиях, чем не может похвастаться внесение ксантановой камеди за счет значительного более низких концентраций.

Ксантановая камедь для производства мучных кондитерских изделий практически

Таблица 1

Гелеобразующая способность яблочного пектина и ксантановой камеди (n=3)

Температура, °С	Массовая доля стабилизатора в растворе, %
	0,1	0,5	1,0	1,5	2,0
40	Жид-кость/Жидкость	Жидкость/ Гелеобразование	Помутнение/Гель	Легкое образо-вание/Гель	Гель/Густой гель
80	Жидкость/Жид-кость	Жидкость/ Гелеобразование	Легкое помутне-ние/Гель	На дне помут-нение/Гель	Гель/Густой гель

Примечание. В числителе приведены данные для яблочного пектина, в знаменателе – для ксантано-вой камеди.

Рис. 1. Зависимость вязкости раствора от концентрации стабилизатора, %

не используется, за исключением добавления незначительных количеств в производстве жировых начинок. Учитывая реологические характеристики данного стабилизатора, далее исследовали возможность применения ксан-тановой камеди в технологии приготовления бисквитного полуфабриката [10].

Для формирования рецептур мучных кондитерских изделий из безглютеновых видов муки предполагается решить следующие задачи: разработки базовой формы продукта, формирование потребительских свойств продукта с измененным химическим составом с целью повышения пищевой ценности за счет безглютеновых видов сырья, органолептическая и физико-химическая сочетаемость компонентного состава.

При приготовлении мучных кулинарных и кондитерских изделий известно, что физико-химические свойства используемой муки оказывают непосредственное влияние на качество конечного продукта. Например, содержание крахмала и белка существенно влияет на реологию теста [1, 11].

Поэтому на первом этапе эксперимента исследовали образцы бисквитного полуфабриката, приготовленного из трех видов муки: рисовой, кукурузной и соевой. Образцы готовились по традиционной технологии бисквитного полуфабриката с полной заменой муки пшеничной высшего сорта, адаптированного для всех используемых видов муки. В качестве контрольного образца была взята рецептура бисквитного полуфабриката из пшеничной муки высшего сорта.

Все виды вводимой безглютеновой муки негативно отразились на вкусовых достоинст- вах бисквита. В образцах отмечался неприятный посторонний вкус и запах, характерный для используемого вида муки. Также у образцов была очень плотная консистенция, изделия имели непропеченный мякиш с плохо развитой пористостью. Самые низкие органолептические характеристики продемонстрировал образец из соевой муки. Так как образцы из безглютеновых видов муки показывали низкие органолептические качества, был сделан вывод о необходимости составления смесей из рассматриваемых видов муки в различных соотношениях.

Поэтому на следующем этапе исследовали влияние смеси безглютеновых видов муки на качество бисквитного полуфабриката. В качестве контрольного образца взята рецептура бисквитного полуфабриката из пшеничной муки высшего сорта. Варианты моделей представлены на рис. 2.

Увеличение вводимой соевой муки негативно отражалось на вкусовых достоинствах бисквита. В образцах с большим содержанием соевой муки отмечался неприятный посторонний вкус и запах. С увеличением количества соевой муки в рецептуре бисквита наблюдалось уплотнение консистенции, изделие имело непропеченный мякиш, с плохо развитой пористостью. Однако соевая мука в своем составе содержит большое количество белка (около 40 %), что потенциально повышает биологическую ценность бисквитного полуфабриката.

Поэтому, с учетом полученных результатов, далее проводили поиск оптимального значения соевой муки в рецептуре изделий на основе математических методов планирова-

Модель №8

Модель №7

Модель №6

Модель №5

Модель №4

Модель №3

Модель №2

Модель №1

ezzszkxzzzzzsstz:

0      2040      60      80     100

Количество муки, %

|    □ Мука рисовая С[Мука кукурузная□ Мука соевая

Рис. 2. Соотношение безглютеновых видов муки в модельных образцах, % ния эксперимента. При этом были отброшены образцы, содержащие свыше 50 % соевой муки, ввиду низких органолептических качеств.

Результаты, полученные при исследовании, обрабатывали методом наименьших квадратов для поиска оптимального значения количества вносимой соевой муки. Было установлено, что наиболее приближенное значение к экспериментальным данным имеет аппроксимация с помощью кубического полинома.

На основании проведенных исследований построена регрессионная модель, представленная на рис. 3 и имеющая следующий вид:

z(х,y):= –0,2073 + 0,1223х + 0,189у –

– 0,0184х·х + 0,0005х·у – 0,0140у·у, (1) гд е y – бaлловая оценка качества выпеченных изделий; х – пористость; z – количество соевой муки.

Анализируя график на рис. 3, можно отметить, что пересечение кривых расчетных и экспериментальных данных происходит в точке, соответствующей значению 13 % соевой муки ко всей массе муки. В дальнейшем на графике также фиксируется пересечение рассматриваемых кривых, однако, значения от 33 % и выше являются погрешностью модели и поэтому были отброшены. Таким образом, нa основании проведенных исследований установлено, что оптимальным значением является 13 % соевой муки.

Далее проводились исследования образцов бисквитного полуфабриката с различным соотношением в рецептуре рисовой и кукурузной муки с дополнительным внесением полисахарида микробного происхождения ксантановой камеди в количестве 0,5 % к мас- се муки. Исследования, посвященные использованию ксантановой камеди в рецептуре мучных кондитерских изделий, были проведены авторами настоящей статьи ранее. Из результатов этих исследований был сделан вывод об оптимальной дозировке полисахарида микробного происхождения ксантановая камедь в 0,5 % к массе муки, что обеспечивало готовому изделию хорошие органолептические качества [5].

С увеличением доли рисовой муки (в диапазоне от 8 до 78 %) – характерный привкус кукурузной муки снижался, однако изделия с высоким содержанием рисовой муки имели невыраженный вкус. Мякиш полуфабрикатов был кремового цвета и чрезмерно рассыпчатый. Изделия с высоким содержанием кукурузной муки имели ярко выраженный вкус кукурузы с горчинкой в послевкусии. Цвет мякиша изменялся от золотистого до темно-желтого в изделиях, получивших наименьшее количество баллов.

Данные анализа физико-химических показателей бисквитных полуфабрикатов представлены в табл. 2.

Было установлено, что с увеличением доли кукурузной муки и уменьшением доли рисовой муки в смеси происходит повышение плотности бисквитного теста на 24,4 % и к увеличению его эффективной вязкости на 18 %, по сравнению с контрольным образцом. С увеличением доли рисовой муки при практически одинаковой влажности теста (37– 38 %) уменьшалась влажность мякиша выпеченных изделий – на 15 %, по сравнению с контрольным образцом.

0  102030405060

Количество соевой муки, %

Экспериментальные данные■ Ра счетные да нные

Рис. 3. Оценка органолептических показателей модельных образцов в зависимости от количества соевой муки в составе модельного образца, балл

Таблица 2

Показатели качества выпеченных бисквитных полуфабрикатов (n = 5)

Показатель / Образец	Плотность теста, кг/м3	Эффективная вязкость теста, Па∙с	Влажность, %		Удельный объем, см3/100 г	Пористость, %
			теста	мякиша
Контрольный образец	0,45 ± 0,04	35,4 ± 0,2	37,2 ± 1,0	26,0 ± 1,0	380 ± 2,0	75,2 ± 0,3
Образец № 1	0,38 ± 0,08	29,1 ± 0,6	38,4 ± 1,3	22,1 ± 1,6	433 ± 2,8	80,0 ± 0,2
Образец № 2	0,42 ± 0,04	30,6 ± 0,3	38,3 ± 1,1	23,2 ± 1,1	438 ± 2,2	78,5 ± 0,4
Образец № 3	0,45 ± 0,07	31,3 ± 0,7	38,1 ± 1,9	23,6 ± 1,0	402 ± 2,9	78,3 ± 0,6
Образец № 4	0,47 ± 0,02	32,7 ± 0,9	37,9 ± 1,7	24,0 ± 1,1	396 ± 2,5	76,5 ± 0,2
Образец № 5	0,52 ± 0,04	33,9 ± 0,3	37,7 ± 1,6	24,0 ± 1,2	395 ± 2,3	75,8 ± 0,3
Образец № 6	0,54 ± 0,05	34,2 ± 0,5	37,6 ± 1,5	24,0 ± 1,8	383 ± 2,1	73,2 ± 0,3
Образец № 7	0,55 ± 0,06	34,5 ± 0,3	37,5 ± 1,3	24,0 ± 1,6	381 ± 2,7	74,6 ± 0,4
Образец № 8	0,56 ± 0,05	35,3 ± 0,2	37,3 ± 1,5	24,8 ± 1,2	377 ± 2,0	74,4 ± 0,5

Повышение дозировки вносимой кукурузной муки приводит к ухудшению качества бисквитного полуфабриката: снижаются органолептические показатели качества, удельный объем – на 1,0 %, по сравнению с контрольным образцом. Образец № 8 плохо поднимался при выпечке, имел вогнутую верхнюю корку, низкий объем и пористость.

Таким образом, экспериментально доказано, что для придания бисквитам высоких органолептических показателей целесообразно уменьшить количество кукурузной муки в смеси по отношению к рисовой муке.

С целью установления оптимального значения кукурузной муки в смеси безглютено-вых видов муки исследуемых бисквитных полуфабрикатов проводили обработку результатов эксперимента с использованием метода многокритериальной оптимизации.

В ходе проведенных исследований для восьми ранее исследуемых образцов бисквитных полуфабрикатов выявлены показатели качества, которые находятся в конфликте друг с другом. В связи с этим выбор рационального состава бисквита проводили с использованием метода многокритериальной оптимизации.

В качестве частных параметров оптимизации были выбраны: y₁ – удельный объем бисквитного полуфабриката, см³/100 г; y 2 – плотность теста, кг/м³; y 3 – эффективная вязкость теста, Па∙с; y 4 – пористость бисквитного полуфабриката, %.

Следующие ограничения:

у 1 ≥ 377 см³/100 г;

у 2 ≤ 0,56 кг/м³;

у 3 ≤ 35 %;

у 4 ≥ 74 %.

Условия оптимизации:

у 1, y 4 → max;

y 2 , y 3 , → min.

Функции желательности по каждому параметру оптимизации, определенные графически, для восьми образцов бисквитных полуфабрикатов с различными соотношениями безглютеновых видов муки, представлены в табл. 3.

Наиболее худшим следует признать бисквитный полуфабрикат, приготовленный из большого количества кукурузной муки в смеси (образец № 8), который характеризовался наиболее плохим набором частных параметров оптимизации, что видно из рис. 4.

Наибольшее значение обобщенной функции желательности имеет образец № 2, так как ему принадлежит лучший набор всех частных параметров оптимизации. Образец № 1, согласно математической модели, наиболее близок к контрольному образу по физикохимическим и органолептическим характеристикам, но при этом он обладает более низкой пищевой ценностью относительно образца № 2. В то же время образец № 3 характеризовался невысокими органолептическими показателями качества по сравнению с образцом № 2.

На основании проведенных исследований оптимальным значением для кукурузной муки является 19 %. Поэтому для дальнейших исследований был выбран образец бисквитного полуфабриката, имеющий наиболее сбалансированные потребительские характеристики: 68 % рисовой муки, 19 % кукурузной муки и 13 % соевой муки, т. е. модель № 2. Кроме того, ранее доказана оптимальная концентра-

Таблица 3

Показатель / Образец	Удельный объем, см3/100 г		Плотность теста, кг/м3		Эффективная вязкость теста, Па∙с		Пористость, %
	y 1	d 1	y 2	d 2	y 3	d 3	y 4	d 4
Образец № 1	433	0,95	0,38	0,98	29,1 ± 0,6	0,98	80,0 ± 0,2	0,98
Образец № 2	438	0,98	0,42	0,85	30,6 ± 0,3	0,90	78,5 ± 0,4	0,89
Образец № 3	402	0,63	0,45	0,77	31,3 ± 0,7	0,82	78,3 ± 0,6	0,85
Образец № 4	396	0,59	0,47	0,63	32,7 ± 0,9	0,70	76,5 ± 0,2	0,79
Образец № 5	395	0,55	0,52	0,46	33,9 ± 0,3	0,56	75,8 ± 0,3	0,74
Образец № 6	383	0,43	0,54	0,43	34,2 ± 0,5	0,53	73,2 ± 0,3	0,59
Образец № 7	381	0,40	0,55	0,41	34,5 ± 0,3	0,44	74,6 ± 0,4	0,54
Образец № 8	377	0,37	0,56	0,37	35,3 ± 0,2	0,37	74,4 ± 0,5	0,37

Расчет параметров оптимизации

Рис. 4. Ранжирование образцов в порядке убывания значения обобщенной функции желательности

ция вносимой добавки-стабилизатора полисахарида микробного происхождения ксантано-вой камеди в количестве 0,5 % к массе смеси безглютеновых видов муки, что положительно влияло на структурно-механические свойства теста и физико-химические показатели качества готовых изделий.

Мучные кондитерские изделия являются одной из самых востребованных групп кондитерских изделий для различных групп населения. Вместе с тем, они характеризуются высокой калорийностью и низкой пищевой ценностью, что ставит соответствующие задачи в области разработки новых видов специализированной продукции. В целом можно сказать что, несмотря на то, что в настоящее время существует тенденция к производству специализированных продуктов питания с ингредиентами, наличие которых в рационе недопустимо по определенным медицинским показателям, ассортимент их на Российском рынке представлен не достаточно широко.

Работа выполнена в рамках научноисследовательской работы № 3076 по базовой части государственного задания Минобрнауки России.