Прогнозирование пищевой ценности хлебобулочных изделий на основе математического моделирования биохимических превращений

Разработка функциональных продуктов питания нового поколения является инновационным направлением в пищевой промышленности, имеющим чрезвычайно важное практическое значение и социальную эффективность. Особое значение при аналитическом проектировании и конструировании новых видов продуктов отводится показателям пищевой, энергетической и биологической ценности, по которым определяется степень соответствия продукта физиологическим нормам потребности организма. В связи с этим прогнозирование биологической и пищевой ценности готовой продукции является актуальной задачей [1].

При брожении хлебопекарного теста происходит повышение активной кислотности полуфабриката и выделение глютатиона дрожжевыми клетками, в результате происходят изменения в белковом и углеводном комплексах.

Спиртовое брожение теста оказывает значительное влияние на его белковую фракцию, особенно если одновременно протекает и молочнокислое брожение. Повышается набу-хаемость и растворимость клейковинных белков, в первую очередь глиадина. Происходит деполимеризация макромолекул белка и гидролиз пептидных связей под воздействием протеолитических ферментов. Содержание азотистых веществ, не осаждаемых трихлоруксусной кислотой, т.е. небелковых соединений, изменяется в процессе брожения незначительно, что свидетельствует об отсутствии глубокого распада белка. Происходят изменения содержания свободных аминокислот, которые участвуют в дальнейшем в реакции меланои-динообразования при выпечке хлеба.

Сбраживание теста тем или иным способом требует расхода углеводов, превращающихся, в конечном счете, в углекислый газ, этиловый спирт и незначительное количество органических кислот.

Во время брожения глюкоза и фруктоза в тесте практически отсутствуют, а содержание мальтозы повышается. При дальнейшем брожении количество мальтозы уменьшается, при этом, однако, не обнаруживается и накопление глюкозы; глюкоза, очевидно, потребляется дрожжами по мере образования. Сопоставление количества крахмала в тесте в течение брожения показывает, что оно остается практически на одном уровне. Это свидетельствует о том, что амилолиз в период брожения протекает в незначительном объеме, а начальный прирост мальтозы происходит в результате гидролиза уже находящихся в муке и образовавшихся в период замеса продуктов деполимеризации крахмала. Также в период брожения происходит гидролиз растворимых и нерастворимых фракций пентозанов [2].

При выпечке под действием высоких температур происходят уже глубокие изменения в углеводных, белковых и жировых комплексах теста.

Целью данного исследования было определение зависимости изменения относительного содержания компонентов биохимического состава хлеба из муки цельносмолотого зерна пшеницы при выпечке и прогнозирование пищевой ценности хлебобулочных изделий путем математического моделирования биохимических превращений.

Схема сопряженных превращений в хлебе при выпечке формализована в виде, представленном на рис. 1. Липид-белковый комплекс ЛБК распадается на жиры Ж, жирные кислоты ЖК, глицерин Гц и белки Б (протеины), которые в свою очередь распадаются на пептиды Пд и аминокислоты А, участвующие в образовании меланоидинов. Липидно-углеводный комплекс ЛУК распадается также на жиры и углеводную составляющую: усвояемые и неусвояемые сахара. Гидролиз крахмала Кр проходит по обычной схеме: декстрины ( а -Ди в -Д) — мальтоза (М) -глюкоза (Г). Неусвояемые сахара распадаются на целлюлозу Ц и пентозаны Пз, которые в свою оч ер едь разлагаются на ксилозу Кс и арабинозу Ар. Продукты распада усвояемых сахаров УУ: олигосахариды ОС и моносахариды МС также участвуют в реакции мела-ноидинообразования.

Тесто готовили из муки цельносмолотого зерна пшеницы с добавлением порошков из подсолнечного жмыха и яичной скорлупы. После брожения его ормовали на тестовые заготовки с одинаковой масссой (250 г). Было получено ри образца, которые выпекали при разной температуре: первый -при 210 °С, второй - 220 °С, третий - 230 °С. Через два часа после выпечки хлеб взвешивали и определяли скорость изменения его массы в процессе выпекания. Полученные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Скорость изменения массы хлеба в процессе выпечки

Показатели	Значение показателя в образцах
	1	2	3
Nhcca белков до выпечки. г	23,942	23,942	23,942
ХЬка белков после выпечки, г	19.19	19,71	19.63
Температура выпечки. "С	210	220	230
Продолжительность выпечки, мин	40	35	30
Скорость изменения массы белка в хлебе, г мин	0,1188	0.1119	0.1437

Следующим этапом исследования явился расчет скорости изменения содержания основных нутриентов изделия в процессе выпечки. Расчеты проводили на основе химического состава рецептурных компонентов и хлеба. В качестве примера приведены данные по изменению скорости содержания белков, представленных в табл. 2.

Рис. 1. Модельная схема сопряженных превращений в хлебе при выпечке

Таблица 2

Скорость изменения содержания белков в хлебе

Показатель	Значение показателя в образцах
	1
Темпесатча выпечки. °C
	210	220	230
Продолжит елшссть вылечи, мин	40	35	30
Началеяая масса тестовой заготояш. г	250	250	250
^^cca хлеба, г	220.6	227,4	225.6
Скорость изменения массы хлеба, г ив	0.63	0,65	0.S1

По данным результатам, применяя метод наименьших квадратов, получена константа скорости химической реакции, протекающей при выпечке для белков:

k = a •T n • t m ,              (1)

где k - константа скорости химической реакции; a - коэффициент; t - время выпечки, мин; t - температура выпечки, ºС; n и m - коэффициенты, показывающие зависимость между константой скорости химической реакции и временем выпечки и температурой соответственно.

Прологарифмируем данное выражение:

ln k = ln a + n • In t + m • In t ,    (2)

Вводим линеаризующую замену данных:

K = ln k ; 9 = In T ; T = ln t ;

b 0 = In a ; b 1 = n ; b ₂ = m .

После замены первоначальное выражение (1) принимает вид:

K = b ₀ + b 1 • 9 + b ₂ • T .    (3)

Для дальнейшего решения составим вспомогательную табл. 3.

Таблица 3

Числовые значения десятичных логарифмов константы скорости химической реакции, времени выпечки и температуры

№	Константа скорости химической рывщии к	Время выпечки г	Температура выпечки i	Десятичный логарифм вэнстанты скорости химический реакции К	Десятичный логарифм времени выпечки 9	Десятичный логарифм температуры выпечки Т
1	0.11Й	40	210	-2.13	3.69	5J5
2	0J1S9	35	220	-2.13	3,56	539
j	0Л437	30	230	-1.04	3,40	5,44

Для определения коэффициентов b ₀ , b ₁ , b ₂ составим и решим систему нормальных уравнений:

В результате исходное уравнение (1) будет иметь вид:

y = 0,017 •T ^-0,52 • t ⁰ , ⁷¹ ,       (5)

Следуя принципу математической модели, представим реакцию разложения в виде системы дифференциальных уравнений. Матричная форма данного уравнения приведена в табл. 4.

Таблица4

Матричная форма реакции разложения

77	ЛБК*	Б1
ЛБК‘		0
Б1		0

На основе всего вышеперечисленного была составлена система дифференциальных уравнений:

-б- = k ₆ • Y₆ = 0,017 • t ^{- 0,52} • t ⁰’⁷¹ • Y₆ , d T б б                           б

Y₆ (0) = Y₆° .             (6)

Решив данную систему с помощью интегрирования левых и правых частей уравнения, построили график зависимости изменения относительного содержания белка при выпечке от относительного времени.

• ^Y 6                       T

J dY^ = 0,017 • t ”'¹¹ J t ^{- 0} ' ⁵² - t ;

0 ^Yб                 0

Yб ln Y6 y6

0,017 • t °’⁷¹ •t ^0,48

0,48

In Y₆ - In Y₆⁰ = 0,035 t ^0,48 • t ^o’⁷¹;

ln - Y⁶- = 0,035 •t ^0,48 1 °’⁷¹;

^Yб ⁰

0,48 0,71

Y _ Y 0 0,035 t ^, • t ’ .

• ^Y6 = ^Y6^e             ;

Y₆ ⁰ = 23,942.

E y, = n • b 0 + b • E x „ + b 2 • E x 2 i

E ( У, • X 1 i ) = b 0 E X 1 i + b 1 E X 2 + b 2 E X 1 i • X 2 i

E ( у. • X 2 i ) = b 0 • E X 2 i + b 1 E X 1 i • X 2 i + b 2 • E X 22 i

Аналогично были получены дифференциальные уравнения и построены графики для изменения концентрации жиров, углеводов (моносахаридов), крахмала, пищевых волокон (целлюлозы) и жирных кислот в процессе выпечки (Рис. 2 – 7).

Рис. 2. Изменение относительного содержания белка в хлебе при выпечке

Рис. 6. Изменение относительного содержания пищевых волокон (целлюлозы) в хлебе при выпечке

Рис. 3. Изменение относительного содержания жиров в хлебе при выпечке

Рис. 7. Изменение относительного содержания жирных кислот в хлебе при выпечке

Рис. 4. Изменение относительного содержания углеводов    (моносахаридов)    в хлебе при

выпечке

Рис. 5. Изменение относительного содержания крахмала в хлебе при выпечке

Белково-протеиназный комплекс тестовой заготовки в процессе выпечки претерпевает ряд изменений. Начиная с 70 °С, белки подвергаются термической денатурации. Этот процесс значительно повышает атакуе-мость белков протеолитическими ферментами, однако количество водорастворимых азотсодержащих веществ в результате вы -печки снижается на 50-70 %. Это снижение объясняется расходом продуктов протеолиза на меланоидинообразование.

Увеличение концентрации содержания белков в процессе выпечки объясняется тем, что, по-видимому, метод дезинтеграционноволнового помола оказывает положительное влияние на содержание белков в химическом составе хлеба.

В процессе выпечки концентрация жиров уменьшается, так как они катализируют полимеризацию белков, тормозят процесс клейстеризации крахмала и за счет их распада увеличивается содержание жирных кислот.

В тестовой заготовке происходит частичный гидролиз высокомолекулярных пентозанов, превращающихся в водорастворимые, относительно низкомолекулярные пентозаны. Таким образом, в процессе выпечки хлеба резко увеличивается количество водо- растворимых углеводов, которое обусловливает увеличение общего содержания в хлебе водорастворимых веществ.

Амилолитические ферменты муки, находящиеся в активном состоянии, гидролизуют крахмал, при этом с увеличением температуры активность их резко возрастает. В результате клейстеризации крахмал во много раз легче гидролизуется как α -, так и β -амилазами, поэтому массовая доля крахмала в тестовой заготовке при выпечке снижается. В процессе выпечки, при 170 ºС, также происходит кислотный гидролиз целлюлозы, приводящий к образованию глюкозы. Увеличение содержания пищевых волокон так же, по‐видимому, можно объяснить влиянием дезинтеграционноволнового помола.

Таким образом, в результате проведенного анализа микрокинетических превращений при выпечке хлеба получена математическая модель изменения биохимического состава растительного сырья и перераспределения его в готовой продукции. Модель представляет собой инвариантную композицию, учитывающую скорость биохимических реакций при выпечке хлебобулочных изделий, и позволяющую виртуально проводить эксперименты по разработке новых видов хлеба для различных категорий населения. Предлагаемый способ верификации биохимических превращений на стадии термообработки позволяет прогнозировать пищевую ценность хлебобулочных изделий, не затрачивая средств на сырье и большой объем эксперимента, что обеспечит возможность экономии материально‐сырьевых ресурсов на стадии разработки новых видов хлебобулочных изделий и повышения эффективности производства.