Влияние дозировки клетчатки топинамбура, продукта комплексной технологии спирта, на изменение свойств рисовых экструдатов

Технологические возможности пищевой экструзии позволяют разрабатывать многокомпонентные продукты, совмещающие в себе качество, безопасность, высокую пищевую ценность и удобство употребления. Для повышения биологической ценности экструдированных продуктов ведутся исследования по использованию в их составе различных функциональных ингредиентов как источников пищевых волокон, фенольных и других биологически активных веществ [1, 2].

Одним из перспективных ингредиентов, который можно использовать для дополнения и обогащения пищевых продуктов, является топинамбур. Благодаря своим свойствам (низкая влагоудерживающая способность, белый цвет и слабое влияние на вкусовые свойства) и составу, топинамбур используется во многих отраслях пищевой промышленности [3, 4]. В клубнях топинамбура накапливается большое количество фруктанов, инулина и фруктоолигосахаридов, в диапазоне от 16 до 20% по весу в свежем виде (Все компоненты топинамбура имеют высокие потребительские свойства. Особо ценным углеводным компонентом является инулин, он состоит из d-фруктозы, связанной β-(2–1) гликозидными связями различной длины. Такой состав позволяет инулину относится к категории неперевариваемых углеводов, что дает возможность использовать топинамбур при производстве специализированных продуктов лечебного и профилактического назначения [5, 6]. Инулин обеспечивает всасывание кальция, магния и калия в пищеварительном тракте, оказывает гипогликемическое действие и антидиабетический эффект, кроме того он обладает противовоспалительными, антибактериальными, противораковыми и антиоксидантными свойствами [7]. Высокое содержание сбраживаемых углеводов, азотистых веществ, экологическая пластичность, высокая урожайность и широкая распространенность, вызвали повышенный интерес к топинамбуру, как к перспективному сырью для производства алкогольной продукции и биоэтанола [8, 9]. Оригинальный аромат этанола топинамбура позволяет его использовать для производства бренди во Франции и Германии, а также саке в Японии [10, 11]. В результате переработки топинамбура образуются побочные продукты с высоким содержанием пищевых волокон, которые могут использоваться в качестве функциональных ингредиентов для улучшения структурных и физических свойств при создании пищевых продуктов. [12–14]. Таким образом, разработка технологии получения пищевых продуктов на основе использования вторичных сырьевых ресурсов переработки топинамбура на спирт является актуальной.

Цель работы – оценка возможности использования продукта биконверсии топинамбура в экструдированных продуктах, готовых к употреблению, и изучение влияния дозировки клетчатки топинамбура, образуемой при его переработке на спирт, на технологические свойства экструдатов.

Материалы и методы

Объекты исследования: экструдаты на основе рисовой крупы с различным содержанием клетчатки топинамбура.

Для приготовления экструдатов в качестве модельной основы для экструдатов использовали дробленную рисовую крупу (ГОСТ 6292–93) как отход крупяного производства. Вносимый в крупу ингредиент клетчатку получали из топинамбура сорта «Интерес», отобранную на стадии гидроизмельчения в технологии переработки корнеплода на спирт. Клетчатку добавляли в количестве 3–9% от массы смеси. Клубни топинамбура промывали, подвергали измельчению на роторном диспергаторе, проводили первую фазу водно-ферментативной обработки ферментным препаратом гемицеллюлазного действия Viscozyme HT FG в дозировке 0,25 ед. КС/г сухих веществ при гидромодуле 1:1. Далее осахаривали массу в течении 60 минут с применением инулазы Novozym 960 в дозировке 0,5 ед. INU/г инулина, полученное сусло центрифугированием разделяли на дисперсную и жидкую фазы. Жидкая фаза использовалась как субстрат спиртового брожения, а дисперсную фазу высушивали до постоянной влажности 5% при температуре 60 °С. В высушенном ингредиенте определяли содержание белка, жира, водорастворимых углеводов, пищевых волокон. Определение сырого протеина определяли методом Кьельдаля по ГОСТ Р 57221–2016 «Дрожжи кормовые. Методы испытаний», определение сырой золы проводили методом озоления по ГОСТ 32933–2014

(ISO 5984:2002) «Корма, комбикорма. Метод определения содержания сырой золы». Содержание жира определяли экстракцией жира с последующим гравиметрическим определением разности массы навески до и после экстракции по ГОСТ ISO 734–1–2016 «Жмыхи и шроты. Определение содержания сырого жира». Содержание пищевых волокон определяли методом ферментативного гидролиза с последующим удалением белковых и крахмалистых веществ по ГОСТ Р 54014–2010 «Продукты пищевые функциональные. Определение растворимых и нерастворимых пищевых волокон ферментативно-гравиметрическим методом».

В качестве контроля использовалась экструдированная дробленная рисовая крупа без добавления клетчатки топинамбура.

Удельный расход электроэнергии рассчитывали по формуле [16]:

SМЕ = n/(n mах ⋅Kg) ⋅N⋅M, (1)

где SМЕ – удельный расход энергии на экструди-рование, кВт⋅ч/кг сырья; N – мощность двигателя экструдера, кВт; M – момент на валу редуктора; n и n mах – скорость вращения шнеков установленная и максимальная, соответственно, об/мин; Kg – производительность по сырью, кг/ч.

Таблица 1.

Оценка пищевой ценности экструдируемых смесей

Table 1.

Nutritional value of mixtures

Показатель, г/100 г Indicator, g/100 g	Дозировка клетчатки топинамбура Jerusalem artichoke fibers dosage, %
	0	3	6	9
Углеводы | Carbohydrates	74 ± 0,06	72,8 ± 0,04	71,7 ± 0,02	70,5 ± 0,03
Протеин | Рrоtеin	7,0 ± 0,03	6,9 ± 0,11	6,9 ± 0,09	6,9 ± 0,08
Жир | Fats	1,0 ± 0,04	1,0 ± 0,04	1,0 ± 0,05	1,0 ± 0,02
Пищевые волокна | Dietary fibers	3,0 ± 0,05	4,5 ± 0,35	6 ± 0,49	7,4 ± 0,41

Структурно-механические свойства экструдированных продуктов оценивали по показателям коэффициента квадратического расширения, твердости и количеству микроразломов. Квадратичный коэффициент расширения рассчитывался как соотношение площадей сечения экструдата и отверстия фильеры. Показатели текстуры образцов определяли на анализаторе структуры СТ 3 (Brookfield, США) с металлическим индентором диаметром 3 мм.

В аспекте разработки продуктов, готовых к употреблению, важными показателями являются гидратационные свойства продуктов. Набухаемость определяли объемным методом. В стеклянный стакан 100 см3 наливали воду и вносили 5 г измельченного экструдата с тониной помола менее 400 мкм. Перемешивание осуществляли спиралевидной мешалкой до однородной консистенции со скоростью 500 об/мин и оставляли на 24 часа, затем отмечали границу раздела двух фаз: верхняя – прозрачная жидкая, нижняя – непрозрачная с набухшим продуктом. Набухаемость продукта в см3/г вычисляли отношением объема продукта после отстаивания к массе навески. Растворимость и влагоудерживающую способность определяли по массе осадка и содержанию растворимых сухих веществ в фугате после центрифугирования суспензии при 3000×g [17].

Цветовые показатели определяли колориметрическим методом с использованием анализатора CS -10 в системе CIE LAB, где L – координата светлоты, a – хроматический компонент, изменяется от зеленого до красного, b – хроматический компонент, от синего до желтого.

Достоверность различий средних оценивали методам однофакторного дисперсионного анализа при p < 0,05 с использованием пакета Statistica 6.0.

В сравнении с контролем увеличение содержания гидролизата в смеси не оказало значимого влияния на параметры экструзии, в частности на температуру и давление. Показатели температуры составили 165 °С при обработке контроля и образцов с 3%, 6% гидролизата и 166 °С при добавлении 9% гидролизата. С увеличением дозировки гидролизата показатели удельного расхода электроэнергии и момента сдвига изменялись в диапазоне 0,131–0,135 кВт⋅ч/кг и 59–60% соответственно, статистически не зависели от изменения дозировки гидролизата топинамбура.

Фото полученных экструдатов представлено на рисунке 1.

Результаты и обсуждение

Смеси рисовой крупы с различным содержанием гидролизата топинамбура экструдировали на двухшнековом экструдере, полученные экструдаты оценивали по изменению структурномеханических и реологических свойств.

Данные по влиянию содержания гидролизата топинамбура в экструдируемой смеси на

Рисунок 1. Образцы экструдатов с различным содержанием клетчатки топинамбура: A – 0%; B – 3%; C – 6%; D – 9%

режимные параметры экструзии представлены в таблице 2.

Таблица 2. Влияние дозировки гидролизата топинамбура на параметры экструзии

Table 2.

Effect of Jerusalem artichoke fibers dosage on extrusion parameters

Параметры экструзии Extrusion parameters	Дозировка клетчатки топинамбура, % Jerusalem artichoke fibers dosage, %
	0	3	6	9
Момент сдвига, % Torgue, %	60 ± 4	61 ± 3	60 ± 4	59 ± 3
Давление, МПа	3,5 ±	3,5 ±	3,4 ±	3,3 ±
Pressure, МРа	0,2	0,2	0,1	0,2
Температура, °С Temperature, °С	165 ± 4	165 ± 3	165 ± 3	166 ± 2
Удельный расход электроэнергии, кВт×час/кг Specific mechanic energy, kW×h/kg	0,133 ± 0,009	0,135 ± 0,007	0,133 ± 0,009	0,131 ± 0,007

Figure 1. Samples of extrudates with different contents of Jerusalem artichoke fibers: A – 0%; B – 3%; C – 6%; D – 9%

Исследования структуры полученных экспериментальных образцов (таблица 3) показали, что с добавлением и увеличением содержания гидролизата топинамбура уменьшаются показатели квадратичного коэффициента расширения с 11,2 до 7,5, что свидетельствует об незначительном увеличении плотности структуры экспериментальных образцов. При этом значимых отличий в показателях насыпной плотности отмечено не было. Феномен влияния пищевых волокон на изменение структурно-механических свойств экструдатов крахмалсодержащего сырья достаточно подробно описан в литературе [6]. Экспериментальные данные подтверждают общие тенденции, снижение коэффициента расширения с увеличением содержания пищевых волокон [18–20].

Отмечено, что с увеличением дозировки гидролизата топинамбура твердость экструдата уменьшается с 13,2 до 5,4 Н и возрастает количество микроразломов почти в 2 раза с 6,7 до 11,5. Увеличение количества микроразломов может быть следствием более интенсивного испарения воды вокруг частичек клетчатки гидролизата топинамбура, выполняющих роль центров парообразования [18]. Это приводит образованию повышенного количества воздушных полостей в продукте, и он становится более пористым и хрустким, при этом необходимо отметить отсутствие значимого влияния содержания клетчатки топинамбура в смеси на насыпную плотность экструдатов. Это может быть связано с двумя компенсирующими друг друга тенденциями: с повышением содержания клетчатки снижается квадратичный коэффициент расширения, т. е. гранулы становятся меньше, но при этом растет пористость, т. е. гранулы становятся воздушней.

Таблица 3.

Структурно-механические свойства экструдатов

Table 3.

Structural and mechanical properties of extrudates

Показатель | Раrаmеtеr	Дозировка клетчатки топинамбура, % | Jerusalem artichoke fibers dosage, %
	0	3	6	9
Квадратичный коэффициент расширения | Quadratic expansion index	11,2 ± 0,9	9,6 ± 0,6	7,8 ± 0,7	7,5 ± 0,8
Насыпная плотность, г/дм3 Bulk density, g/dm3	104,5 ± 2,1	104,0 ± 2,8	104,2 ± 4,4	104,5 ± 4,9
Твердость, Н | Hardness, N	13,2 ± 3,6	10,3 ± 2,5	8,9 ± 0,8	5,4 ± 1,0
Количество микроразломов Number of microfractures	6,7 ± 1,3	9,0 ± 1,3	10 ± 1,0	11,5 ± 1,7

Гидратационные свойства показывают возможность экструдата связывать воду и растворятся в ней, отвечают за степень усвояемости и сроки годности. Их изменение важно при проектировании продуктов быстрого приготовления, каш, пюре. Основные показатели гидратационных свойств это влагоудерживающая способность, растворимость, набухаемость, влажность. Данные по влиянию содержания клетчатки топинамбура в экструдате на гидратационные свойства экструдатов, которые могут использоваться как ингредтиен при конструировании инстант-продуктов представлены в таблице 4. Результаты исследования показали, что увеличение дозировки клетчатки топинамбура оказало значимое влияние на набухаемость экструдата и его равновесную влажность. Показатель набухаемости значимо вырос с 7 до 8,5 см3/г. Влажность образцов снизилась с 8,8 до 8,2%. Значимых изменений показателей растворимости и влагоудерживающей способности отмечено не было. Контрольное значение растворимости составило 85%, а при добавлении 3–9% клетчатки составило 81–85%. Наблюдалось незначимое увеличение влагоудерживающей способности с 4,2 контрольного образца до 4,5 при 9% гидролизата.

Таблица 4.

Гидратационные свойства экструдатов

Table 4.

Hydration properties of extrudates

Показатель | Раrаmеtеr	Дозировка клетчатки топинамбура, % | Jerusalem artichoke fibers dosage, %
	0	3	6	9
Набухаемость, см3/г Swelling capacity, сm3/g	7 ± 0,2	7,5 ± 0,3	8,7 ± 0,3	8,5 ± 0,2
Влагоудерживающая способность, г/г | Water holding capacity, g/g	4,2 ± 0,1	4,0 ± 0,1	4,2 ± 0,2	4,5 ± 0,2
Растворимость, %| Solubility, %|	85 ± 4	84 ± 5	81 ± 4	83 ± 5
Влажность, %| Moisture, %	8,8 ± 0,2	8,7 ± 0,1	8,5 ± 0,2	8,2 ± 0,2

Количество вносимой клетчатки топинамбура значимо изменяло цвет экструдатов. С увеличением ее дозировки цвет становился темнее и приобретал коричневый оттенок. Данные колориметрической оценки экструдатов представлены в таблице 5. Показатель светлоты L по шкале переходит в более темный диапазон, приобретая коричневый оттенок. Имеет слабую насыщенность цвета. Шкала «a» от зеленого до красного показывает тренд на переход цвета образцов в красный оттенок, шкала «b» от синего до желтого показывает переход цвета образцов в сторону желтого оттенка. Согласно данным конвертора системы LAB контролю соответствует молочный цвет, образцу с содержанием 3% клетчатки топинамбура – бежевый, 6% – бледно-коричневый, 9% – светло-коричневый.

Таблица 5.

Цветовые характеристики экструдатов

Color characteristics of extrudates

Table 5.

Показатель | Раrаmеtеr	Дозировка клетчатки топинамбура, % | Jerusalem artichoke fibers dosage, %
	0	3	6	9
L	89,5 ± 1,3	83,9 ± 0,4	76,0 ± 1,1	70,7 ± 1,0
a	2,6 ± 0,8	2,4 ± 0,3	3,3 ± 0,2	4,3 ± 0,3
b	7,8 ± 0,3	17,6 ± 0,3	21,9 ± 0,6	24,0 ± 0,4

Заключение

Внесение 6% и более высушенной клетчатки топинамбура в экструдируемую дробленую рисовую крупу, образуемую при шлифовании риса, позволяет получать продукт с содержанием пищевых волокон более 6 г на 100 г. продукта. В соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 022/2011 отличительный признак такой продукции может маркироваться как продукт с высоким содержанием пищевых волокон.

Анализ результатов исследования показывает, что внесение клетчатки топинамбура, продукта его переработки на спирт, до 9% не оказывает отрицательного влияния на режимы экструзии, они остаются стабильными и значимо не изменяются. Температура экстру-дирования составляла 165–166 °С, давление 3,3–3,5 МПа, момент сдвига 59–60%, удельный расход электроэнергии 0,131–0,133 кВт×час/кг. Структура экструдатов с увеличением дозировки становится более пористой и хрусткой, менее твердой, но при этом значимо снижается размер гранул. Цвет экструдатов приобретает коричневый оттенок. С увеличением дозировки гидролизата не изменяются показатели растворимости и влагоудерживающей способности, при этом значимо увеличивается набухаемость.

Установленные тенденции изменения функционально-технологических свойств могут быть положены в основу экструзионных продуктов, в том числе специализированного назначения. При этом содержание клетчатки топинамбура может быть фактором управления не только пищевой ценностью продукта, но и органолептическими характеристиками в аспекте структуры и реологии. Например, получении продуктов в заданном диапазоне твердости или пористости для снеков, сухих завтраков, хлебцев, или набу-хаемости для каш быстрого приготовления.

Финансирование

Работа выполнена в рамках Гранта № 22-1600159