Подбор оптимальных условий получения солода из гречихи

В настоящее время на российском рынке солода отмечается значительное превышение объемов импорта над объемами экспорта. В основном рынок сформирован поставками зарубежного солода, который представлен большим разнообразием злаков [1–3].

Традиционные виды солода – это ячменный, ржаной и пшеничный. К нетрадиционным видам солода относят солод из зерна гречихи. Гречишный солод в России в промышленных масштабах не производят, его закупают в европейских странах [4, 5].

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

Все чаще среди населения встречаются люди, которые страдают непереносимостью глютена. Этим больным запрещается употреблять продукты, произведенные из традиционного зернового сырья, так как доля глютеновых белков в них составляет почти 80%. Таким образом, ассортимент пищевых продуктов у данной категории населения сильно ограничен, что не может не сказываться на качестве их жизни [6, 7].

Физико-химические показатели зерен гречихи уступают показателям зерен ржи (таблица 1). Абсолютная масса гречихи ниже абсолютной массы ржи на 27,8%, а способность прорастания практически имеет один уровень с зерном ржи. Содержание крахмала у гречихи ниже на 10,2% содержания крахмала у ржи. Рожь превышает гречиху по экстрактивности на 12,9%, по содержанию белка на 20%, и на 10% по содержанию крахмала [2, 7, 8]

Таблица 1.

Качественные показатели зерна

Table 1.

Grain quality indicators

Показатель | Indicator	Гречиха Buckwheat	Рожь Rye
Абсолютная масса 1000 зерен, г Absolute weight of 1000 grains, g	23,3	32,3
Содержание белка, % СВ Protein content, % dry substances	12,0	15,0
Содержание крахмала, % СВ Starch content, % dry substances	52,5	58,5
Экстрактивность, в% на ВСВ Extractivity, in% on dry substances	67,5	77,5
Способность прорастания, % The ability of germination, %	92,8	94,3

Фракционный же состав белка зерна гречихи представлен в основном глобулинами и альбуминами (таблица 2), при почти полном отсутствии проламинов и глютелинов. В то время как в составе белка ржи, традиционного сырья для производства кваса и хлеба, наоборот преобладают проламины и глютелины.

Таблица 2.

Фракционный состав белка зерна гречихи и ржи [9–11]

Table 2.

Fractional composition of buckwheat and rye grain protein

Фракция, % от общего содержания белка Fraction, % of total protein content	Зерно |	Grain
	Гречиха Buckwheat	Рожь Rye
Альбумины | Albumins	21–24	0,4–0,5
Глобулины | Globulins	42–45	1,7–2,2
Проламины | Prolamins	1,1–1,2	37,2–41,6
Глютелины | Glutelin	10–12	26,6–41,9

Поэтому гречиха может быть использована для расширения ассортимента отечественного рынка специализированных продуктов (в том числе лечебного и профилактического характера) для категории потребителей, страдающих непереносимостью глютена [7].

Для создания продуктов из зерен гречихи необходимо знать параметры ее переработки. В связи с этим целью наших исследований является применение математических методов планирования для переработки гречихи на солод с высокой ферментативной способностью.

Материалы и методы

Материалами исследования являлись рожь сорта Восток 2 (контроль) и гречиха сорта Дикуль (опыт). Амилолитическую способность (АС) солода определяли колориметрическим йодометрическим методом, осахаривающую способность (ОС п ) – поляриметрическим методом, протеолитическую (ПС) – рефрактометрическим методом (по Петрову), влажность исследуемых образцов определяли на влагомере термографическом инфракрасном FD-610. Экстрактивность, кислотность и цветность ферментированного солода определяли согласно (ГОСТ Р 52061–2003).

Замачивание гречихи и ржи проводили воздушно-водяным способом при температуре 15–16 °С в водопроводной воде до относительной влажности 46–50%, причём воздушные и водяные паузы чередовали каждые 4 часа. Проращивание проводили в течение 6–7 суток при температуре 15–16 °С до достижения максимальной активности гидролитических ферментов амилолитического и протеолитического действия. Пророщенное зерно подвергали ферментации, для чего оставляли в покое на 12–24 часа до тех пор, пока температура в среднем слое не повысится до 50–55 °С, ворошили и продували кондиционированным воздухом с такой интенсивностью, чтобы влажность солода была 50–52%, а температура во всех слоях 67–68 °С в течение 5 суток. Сушку проводили с постепенным увеличением температуры от 67–68 °С до 74–75 °С в течение 16 ч до достижения величины влажности 5–6% [5].

Результаты и обсуждение

Прогнозировали, как влияют основные факторы проращивания гречихи на активность ее гидролитических ферментов.

Основные факторы, влияющие на активность ферментов при проращивании: x 1 – температура солодоращения, °C; x 2 – влажность солодоращения, %; x 3 – продолжительность со-лодоращения, сут. Критерием оценки влияния выбранных параметров служили способности: амилолитическая ( y 1 , ед./г. СВ), осахаривающая ( y 2 , ед./г. СВ) и протеолитическая ( y 3 , ед./г. СВ) [12].

Для статистической обработки данных исследования применяли центральное ротата-бельное униформпланирование, которое позволяло в ходе 20 экспериментов в 3-x кратной повторности получить уравнение регрессии адекватно описывающее процесс проращивания гречихи [13, 14–20].

Математическая модель изучаемого процесса представляется в виде полинома второй степени:

y = b0 + IM -^bX V^byX.Xj (1) i=1 i=1 i

Матрица планирования представлена в таблице 3. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в таблице 4.

Таблица 3.

Матрица планирования эксперимента

Table 3.

Experiment planning matrix

x1, °C	x2, %	x3, сут (day)	y1, ед./г.	y2, ед./г (units/g)	y3, ед./г (units/g)
-1	-1	-1	137,2	16,6	163,9
-1	1	-1	137,6	19,3	190,6
1	-1	-1	136,9	20,6	181
1	1	-1	153,5	20,6	202,9
-1	-1	1	246,08	33,1	325,2
-1	1	1	312,6	39,1	356,7
1	-1	1	298,9	37,5	330,2
1	1	1	264,3	35,46	349,3
-1,682	0	0	196,8	25,4	260,1
1,682	0	0	259,8	33,2	341,6
0	-1.682	0	223,2	30	320,4
0	1.682	0	257,8	32,7	338,9
0	0	-1,682	34,8	8,9	96,1
0	0	1,682	318,7	41,3	360,7
0	0	0	289,3	34,9	345,6
0	0	0	286,3	34,5	341,8
0	0	0	292,8	35,2	348,6
0	0	0	288,4	34,9	344,3
0	0	0	287,1	34,7	342,3
0	0	0	289,4	38,4	345,8

Таблица 4.

Основные характеристики плана эксперимента Table 4.

Main characteristics of the experiment plan

Условия планирования Planning conditions	Пределы изменения факторов Limits of changes in factors
	x1, °C	x2, %	x3, сут. (day)
Нулевой уровень (0) Zero level	15	48	4
Верхний уровень (+1) The upper level	16	51	6
Нижний уровень (-1) The lower level	13	45	2
Верхняя «звездная» точка (+1,682) + "star" point	17	53	7
Нижняя «звездная» точка (-1,682) – "star" point	12	43	1

Для оценки адекватности математической модели был проведен дисперсионный анализ (ANOVA) эксперимента в программе Design Expert (Stat-EaseInc.) и получены следующие уравнения регрессии:

y = 288,88 + 11,34x + 5,73x₂ + 75,72x₃ -10,61x,x₂ +1,87x,x₃ -

-1,39x₂x₃ -21,38x²-17,07x₂²-39,61x₃²

y = 35,45 + 1,45x + 0,77x₂ + 8,97x₃ -1,34x,x₂ + 0,15x,x₃ -

-0,56x₂x₃ - 2,25x²-1,52x₂²- 3,73x₃²

y = 345,39 +17,30x + 4,26x₂ + 78,20x₃ -2,15x,x₂ + 0,25x,x₃ -

-3,98x₂x₃ -19,79x²-9,61x₂²-45,41x₃²

Анализ уравнений (2)–(4) позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс. На биосинтез ферментов наибольшее влияние оказывают как температура, так и продолжительность проращивания. При этом знак «плюс» перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при увеличении значения параметра значение вы- ходного параметра возрастает, знак «минус» – убывает. Обращает на себя большое внимание значения коэффициентов квадратичных эффектов, что указывает на существенную нелинейность выходных параметров от рассматриваемых факторов.

Оценка степени влияния входных параметров XI на выходные yi приведена на рисунке 1. Анализ данных уравнений позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс (рисунки 1–3).

Графическая интерпретация уравнений (2)–(4) представлена кривыми равных значений для входных параметров в интервале [-1,682… +1,682] (рисунки 4–6). Данные графики несут смысл номограмм и имеют практическую значимость. Зная величину параметров, можно прогнозировать процесс солодоращения гречихи.

(a)

The temperature of malting, ^oC

(b)

(а)

The temperature of malting, ^oC

(c)

Рисунок 1. Влияние входных параметров ХI на выходные уj: (а) – для амилолитической способности, ед./г; (b) – для осахаривающей способности, ед./г; (c) – для протеолитической способности, ед./г

Figure 1. Influence of input parameters XI on output parameters yj: (a) – for amylolytic capacity, units/g; (b) – for saccharifying capacity, units/g; (c) – for proteolytic capacity, units/g

(b)

The temperature of malting, ^oC

(c)

Рисунок 2. Зависимость способности: (а) амилолитической, ед./г; (b) осахаривающей, ед./г; (c) протеолитической, ед./г от температуры солодо-ращения, °C при влажности солодоращения, %: 1–43; 2 – 45; 3–48; 4–51; 5–53

Figure 2. Dependence of the ability: (a) amylolytic, units/g; (b) saccharifying, units/g; (c) proteolytic, units / g on the malting temperature, °C at the malting humidity, %: 1–43; 2 – 45; 3–48; 4–51; 5–53

Proteolytic activity units/g dry matter              Amylolytic activity units/g dry matter

Humidity of malting, %

Humidity of malting, %

(b)

(a)

Humidity of malting, %

Рисунок 3. Зависимость способности: (а) амилолитической, ед./г; (b) осахаривающей, ед./г; (c) протеолитической, ед./г от влажности солодоращения, % при продолжительности солодоращения, сут.: 1–1; 2–2; 3–4; 4–6; 5–7

Figure 3. Dependence of the ability: (a) amylolytic, units/g; (b) saccharifying, units / g; (c) proteolytic, units/g on the humidity of malting, % for the duration of malting, day.: 1–1; 2–2; 3–4; 4–6; 5–7

(c)

y1, units/g amylolytic activity

(a)

y1, units/g amylolytic activity

(b)

y1, units/g amylolytic activity

(c)

Рисунок 4. Кривые равных значений зависимости амилолитической способности, ед./г от: (a) температуры солодоращения, °C и продолжительности солодоращения, сут.; (b) температуры солодоращения, °C и влажности солодоращения, %; (c) влажности солодоращения, % и продолжительности солодоращения, сут.

Figure 4. Curves of equal values of the dependence of amylolytic capacity, units/g on: (a) malting temperature, °C and malting duration, day; (b) malting temperature, °C and malting humidity, %; (c) malting humidity, % and malting duration, day y2, units/g saccharifying activity

(a)

y3, units/g proteolytic activity

(a)

y2, units/g saccharifying activity

(b)

y3, units/g proteolytic activity

(b)

y2, units/g saccharifying activity

(c)

Рисунок 5. Кривые равных значений зависимости осахаривающей способности, ед./г от: (a) температуры солодоращения, °C и продолжительности солодоращения, сут.; (b) температуры солодоращения, °C и влажности солодоращения, %; (c) влажности солодоращения, % и продолжительности солодоращения, сут

(c)

Рисунок 6. Кривые равных значений зависимости протеолитической способности, ед./г от: (a) температуры солодоращения, °C и продолжительности солодоращения, сут.; (b) температуры солодоращения, °C и влажности солодоращения, %; (c) влажности солодоращения, % и продолжительности солодоращения, сут.

• Figure 5.    Curves of equal values of the dependence of the saccharifying capacity, units/g on: (a) malting temperature, °C and duration of malting, day.; (b) malting temperature, °C and humidity of malting, %; (c) humidity of malting, % and duration of malting, day.

• Figure 6.    Curves of equal values of the dependence of the proteolytic capacity, units/g on: (a) malting temperature, °C and duration of malting, day.; (b) malting temperature, °C and humidity of malting, %; (c) humidity of malting, % and duration of malting, day

Предложена численная и графическая процедуры оптимизации для прогнозирования оптимального уровня входных факторов и получения соответствующих максимальных значений ферментных активностей, ед./г.

Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей

модели:

Таблица 5.

Решения задачи оптимизации

Table 5.

Solutions to the optimization problem

№	x1, °C	x2, %	x3, сут day	y1, ед./г	y2, ед./г units/g	y3, ед./г units/g	D
1	15,081	47,689	6	326,691	40,985	381,963	1,000
2	15,082	47,703	6	326,706	40,985	381,972	0,999
3	15,077	47,714	6	326,728	40,985	381,967	0,9985
4	15,094	47,661	6	326,635	40,985	381,968	0,998
5	15,095	47,696	6	326,677	40,985	381,987	0,9975
6	15,068	47,685	6	326,703	40,985	381,939	0,997
7	15,068	47,715	6	326,742	40,985	381,953	0,9965
8	15,061	47,746	6	326,787	40,984	381,951	0,996
9	15,103	47,654	6	326,609	40,984	381,978	0,9955
10	15,094	47,752	6	326,740	40,984	382,010	0,995

При решении задачи оптимизации определяли значение функции желательности (D ^ 1,0) для нахождения интервалов оптимальных значений входных параметров, получено > 20 решений, приведем первые 10:

Из таблицы определим оптимальные интервалы входных параметров для достижения максимальных значений способности ферментов: x1 = 15,0–15,1 °C; x2 = 47,6–47,7%; x3 = 6 сут.

Накладывая полученные интервалы друг на друга получим область пересечения оптимального решения (белая зона) при заданных критериях оптимизации (рисунок 7).

хь^с

(b)

(a)

(c)

Рисунок 7. Область решения задачи оптимизации в интервале [-1,682… + 1,682] ,

• Figure 7.    Area of solving the optimization problem in the interval [-1,682… + 1,682]

Окончательно получим следующие значения выходных параметров – амилолитическая способность y1 = 326,7 ед./г СВ, осахаривающая способность y2 = 40,9 ед./г. СВ и протеолитическая способность y3 = 381,9 ед./г. СВ, при соответствующих входных: x1 = 15 °C; x2 = 48%; x3 = 6 сут.

Для проверки правильности выбора оптимальных условий процесса солодоращения гречихи был поставлен ряд параллельных экспериментов. Сопоставление опытных и расчетных данных показало достаточную сходимость результатов. Все полученные данные лежали в пределах рассчитанных доверительных интервалов параметров оптимизации. Средняя квадратичная ошибка не превышала 2,3%.

Заключение

Получены значения выходных параметров солодоращения гречишного солода, позволяющие получить солод с наибольшими осахаривающей и протеолитической способностями