Влияние полисахаридов бурых водорослей на хлебопекарные свойства пшеничной муки

В настоящее время в совокупности с неблагоприятными факторами окружающей среды, несбалансированное питание, наличие вредных привычек, недостаточный уровень физической активности, а также частые длительные стрессы приводят к возникновению и развитию многих заболеваний. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) 36 миллионов смертельных случаев от 57 миллионов всех зарегистрированных в мире в 2008 году (63 %), были вызваны неинфекционными заболеваниями, включая, прежде всего, сердечно-сосудистые заболевания (48 %), онкологические заболевания (21 %), хронические респираторные заболевания (12 %) и диабет (3,5 %). Одним из путей решения проблемы неинфекционных заболеваний является включение в рацион питания диетических и лечебно-профилактических пищевых продуктов, содержащих в своем составе функциональные пищевые ингредиенты, благоприятно действующие на процессы обмена веществ в организме человека [1]. Особенно привлекательными продуктами для обогащения являются продукты массового спроса, к числу которых относятся хлеб и хлебобулочные изделия.

Одним из актуальных направлений в реализации процессов получения органической пищи является применение полисахаридов бурых морских водорослей в качестве адапто-генных растительных ингредиентов [8].

При этом особого внимания заслуживает биологически-активный сульфатированннный гетерополисахарид, обнаруженный в клеточных стенках бурых водорослей - фукоидан, содержащий редкий моносахарид a-L-фукозу.

В многочисленных публикациях показано, что фукоидан обладает широким спектром биологической активности, в том числе противоопухолевыми, антиоксидантными, иммуномодулирующими свойствами. При этом установлено, что величина биологического эффекта определяется именно тонкими деталями структуры полимера [12–15]. Являясь полисахаридом, фукоидан имеет очень большой молекулярный вес 100~1.000 kDa, что определяет его низкую биодоступность. В связи с этим возникает необходимость разрушить макромолекулы полисахарида.

Растворимые пищевые волокна - соли альгиновых кислот, источником которых являются растительные гидробионты и некоторые микроорганизмы, являются энтеросорбентами радионуклидов, солей тяжелых металлов и жирных кислот. Альгинаты представляют собой соли (натриевые, калиевые, кальциевы, магниевы и др.) альгиновой кислоты, полисахарида, молекулы которой построены из остатков уроновых кислот [5-D-маннуроновой и a-L-гулуроновой, находящихся в пиранозной форме и связанных 1,4-связями. В пищевой промышленности чаще всего используются альгинат натрия (Е 401), альгинат калия (Е 402) и альгинат кальция (Е 404) в качестве загустителей, стабилизаторов и пеногасителей при производстве желе, мармелада, джема, мороженого и молочных продуктов [6, 9].

Часто альгинаты используют в качестве связывающих веществ при изготовлении продуктов фармации. Поэтому данный компонент может выступать в качестве носителя для доставки биологически-активного фукоидана до нижних отделов желудочно-кишечного тракта.

Безусловно, введение пищевых ингредиентов в рецептуру хлебобулочных изделий должно не только повышать их пищевую ценность, но и обеспечить необходимые потребительские свойства. По этой причине при разработке обогащенных хлебобулочных изделий необходимо отслеживать влияние вновь вводимых добавок на биохимические и технологические процессы. В связи с этим целью работы являлось исследование влияния полисахаридного комплекса (ПК), состоящего из фукоидана и альгината натрия, на хлебопекарные свойства пшеничной муки.

Объекты и методы исследования

В качестве обогатителя использовали БАД к пище «Фуколам-С-сырье» (Рег. № RU.77.99.11.003.E.003.153.11.10). Сырьем для получения БАД является полисахаридный комплекс с содержанием фукоидана не менее 60 % и альгинат натрия - 40 % [2].

С целью сокращения длинных полисахаридных цепочек фукоидана в работе был применен метод ультразвуковой микрониза-ции. Процесс микронизации полисахаридного комплекса осуществляли на аппарате ультразвуковом «ВОЛНА», модель уЗтА-0,63/22- ОМ (ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» г. Бийск, 2017), предназначенного для интенсификации физико-химических процессов в системах с жидкой дисперсионной средой.

Образцы клейковины были получены путем отмывания теста из пшеничной муки 1 сорта, замешанного на питьевой воде ( образец 1 ), а также на растворах нативного ( образец 2 ) и модифицированного полисахаридного комплекса, обработанного ультразвуком мощностью 630 Вт/л, время экспозиции 30 мин, который добавляли в количестве 50 мг на 100 г муки ( образец 3 ).

Количество клейковины определяли согласно ГОСТ 27839-2013. Качество клейковины пшеничной муки определяли по цвету, растяжимости и эластичности, а также на измерителе деформации клейковины ИДК-3 с погрешностью не более ±2,5 ед.

Для исследования форм связи влаги в образцах клейковины проводили исследования методом дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии на приборе синхронного термического анализа STA 449 F1 Jupiter (NETZSCH, Германия).

Применяемая для количественной обработки данных термоаналитическая кривая ДСК описывает изменения энтальпии, характеризующей тепловые эффекты химического воздействия и физических превращений. Скорость изменения температуры нагрева составляла 10 °С/мин, максимальная температура нагрева 493 К. С помощью аналогового цифрового преобразователя получали кривые в цифровой форме.

Для установления соотношения различных форм связи воды был применен метод обработки данных, включающий построение кусочно-линейной функции –lgα = F (103/Т). Для получения данных о механизме влагоуда-ления на основе определения температурного интервала и количества влаги, десорбируемой примерно с одинаковой скоростью, перестраивали кривую в координатах [–lgα; 103/Т] с помощью пакета для анализа и обработки данных OriginPro 8.0 SR5.

Результаты и их обсуждение

Содержание в муке клейковины и ее характеристики можно рассматривать как один из основных показателей силы муки, так как качество и количество клейковины оказывает сильное влияние на газоудерживающую, формоудерживающую и водопоглотительную способность теста, от которых, в свою очередь, зависят такие показатели качества хлеба, как его объем, форма, внешний вид, структура мякиша.

Проведено исследование влияния нативного и модифицированного полисахаридного комплекса на количество и качество клейковины пшеничной муки 1 сорта.

Из диаграммы (рис. 1) видно, что использование полисахаридного комплекса как в нативной так и в микронизированной форме ве- дет к увеличению набухания клейковины. Об этом можно судить по увеличению выхода сырой клейковины. Максимальное значение массовой доли клейковины при использовании нативного полисахаридного комплекса составляет 38,6 %, что больше массовой доли клейковины контрольного образца на 7,2 %.

Внесение фукоидана и альгината натрия также позволило заметно укрепить клейковину, что видно из полученных данных измерителя деформации клейковины (ИДК). Результаты определения физических свойств сырой клейковины в пшеничной муке 1 сорта при добавлении нативного и микронизированного полисахаридного комплекса представлены в таблице.

Таким образом, использование ПК как в нативной, так и в микронизированной форме, приводит к увеличению набухания и укреплению сырой клейковины.

Для понимания причины увеличения выхода сырой клейковины был проведен термогравиметрический анализ, позволяющий установить соотношение в исследуемых объектах воды различных форм связи. Изменение соотношения свободной и связанной воды в клей-

ПК микронизированного ПК

Рис. 1. Массовая доля сырой клейковины пшеничной муки 1 сорта при добавлении нативного и микронизированного полисахаридного комплекса

Влияние нативного и микронизированного полисахаридного комплекса на качество сырой клейковины пшеничной муки1 сорта

Показатель Контроль С добавлением нативного ПК С добавлением мик-ронизированного ПК Качество клейковины, ед. ИДК 75,4 80,5 80,3 Группа качества I – хорошая I – хорошая I – хорошая Растяжимость 14,2 см 17,0 см 15,5 см Эластичность Хорошая эластичность Хорошая эластичность Хорошая эластичность ковине муки влияет на реологические свойства мякиша хлеба, а при хранении оказывает влияние на состояние свежести [3, 5, 10].

На рис. 2–4 представлены кривые изменения массы (ТГ) исследуемых образцов клейковины и энтальпии (ДСК), характеризующей тепловые эффекты химического воздействия и физических превращений. Все полученные кривые носили аналогичный характер и отличались величиной температурных зон, соответствующих испарению влаги с различной энергией связи [11, 16].

С целью получения зависимости степени изменения массы материала (степени превращения) α от температуры используется часть кривой изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации. Степень изменения массы α рассчитывается как отношение изменения массы материала:

∆m_о б _щ: α = ∆m / ∆m_о б _щ.

Для установления четких интервалов температур и получения данных о механизме влагоудаления используется кривая зависимости (–lg α) от величины 103/T (рис. 5) [4, 7].

Рис. 2. Экспериментальные зависимости изменения массы контрольного образца

Рис. 3. Экспериментальные зависимости изменения массы образца клейковины ТГ и энтальпии ДСК с добавлением нативного полисахаридного комплекса

Рис. 4. Экспериментальные зависимости изменения массы образца клейковины ТГ и энтальпии ДСК с добавлением микронизированного полисахаридного комплекса

На каждом из полученных графиков можно выделить 6 линейных участков с различным углом наклона к оси абсцисс. Для этих участков был определен интервал температур, в котором процесс дегидратации протекает с приблизительно одинаковой скоростью, характерной для удаления из продукта влаги с определенной энергией связи:

участок 1 – удаление свободной влаги;

участок 2 – удаление физико-механически связанной влаги;

участок 3 – удаление осмотически связанной влаги;

участок 4 – удаление полиадсорбционно связанной влаги;

участок 5 – удаление моноадсорбционно связанной влаги;

участок 6 – удаление химически связанной влаги и деструкция образца.

На графиках видны существенные отличия в интервалах температур дегидратации в контрольном образце клейковины и в образцах клейковины с добавлением полисахаридного комплекса (как в нативной, так и в мик-ронизированной форме).

Результаты изменения форм связи влаги в исследуемых образцах клейковины представлены на рис. 6.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что количественное соотношение влаги различных форм связи в исследуемых образцах клейковины, замешанных с использованием полисахаридного комплекса (как в нативной, так и в микронизированной форме), имеет отличия, что в первую очередь, относится к свободной, осмотически, физикомеханически и адсорбционно связанной влаге.

В контрольном образце клейковины по сравнению с опытными образцами преобладает полиадсорбционно, осмотически и физикомеханически связанная влага. При этом в большом количестве содержится свободной воды (в 2,2–3,9 раз больше, чем в опытных образцах).

Белковые вещества связывают влагу преимущественно осмотически, при этом они обладают способностью в процессе тестопри-готовления поглотить до 200 % воды к своей массе. Белковые вещества набухают при этом, увеличиваясь в объеме. Использование фукоидана и альгината натрия оказало влияние на количество осмотически связанной влаги, так, при использовании нативного полисахаридного комплекса ее количество увеличилось на 70 %, а микронизированного – на 18 %.

До настоящего времени некрахмальным полисахаридам не придавалось существенного значения. Однако, как показано недавними исследованиями, они способны повышать во-

0,5

2,0      2,2      2,4      2,6      2,8      3,0      3,2

1 ооо/т

в) образец клейковины с добавлением микронизированного ПК

0,2

0,0

0,2

-0,4

-0,6

0,8

-1 ,О

-1 ,2

1 ,4

1 ,6

-1 ,8

----2^--- 2,6----278-----ТЛТ 1 ООО/Т а) контрольный образец клейковины

-0,5

-1 ,о

-2,0

0,2 -1

0,0 -

-0,2 -

-0,4 -

-0,6 -

-0,8 -

-1,0 -

-1,2 -

-1,4 -

-1,6 -

-1,8 -

2,0      2,2      2,4      2,6      2,8      3,0      3,2

1 ООО/Т

б) образец клейковины с добавлением нативного ПК

Рис. 5. Модель кусочно-линейной функции зависимости –lg α от величины 103/T при нагревании со скоростью 10 оС/мин

• ■    свободная

• ■    полиадсорбционно связанная

• ■    физико-механически связанная ■ осмотически связанная

• ■    моноадсорбционно связанная ■ химически связанная

Рис. 6. Изменение форм связи влаги в исследуемых образцах клейковины допоглотительную способность муки и выход хлеба. Полисахариды связывают воду быстрее, чем белок, и в основном адсорбционно, а также микрокапиллярами. Они поглощают воду и внутримицеллярно, при этом осмотическое связывание влаги невелико.

Прирост адсорбционной влаги в образцах клейковины с полисахаридным комплексом может быть обусловлен увеличением общей водопоглотительной способности при внесении добавки, в результате чего гидратация фукоидана, на 3/4 поглощающего воду ад-сорбционно, как полисахарида, прошла более глубоко.

Количество полиадсорбционно связанной влаги увеличивается на 12 % для образца, полученного с использованием нативного полисахаридного комплекса, и на 6 % для образца, полученного с использованием микронизиро- ванного. Количество адсорбционной влаги мономолекулярных слоев снизилось в 2 раза в образце клейковины с добавлением нативного полисахаридного комплекса.

За счет более быстрого проникновения воды в структуру белка и полисахаридного комплекса частично снизилось количество физико-механически связанной влаги в экспериментальных образцах (на 79 % при использовании нативной формы и на 13 % при использовании микронизированной формы).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что увеличение выхода сырой клейковины связано с тем, что фукоидан, являясь гетерополисахаридом, быстро связывает воду (в основном адсорбционно) и встраивается в белковую матрицу теста, задерживаясь в ее каркасе.