Влияние растительных биокорректоров на состояние влаги в мучных изделиях функционального назначения

По данным Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, пищевой статус населения РФ не является оптимальным и полноценным, что является алиментарной причиной роста патологических состояний [6, 7]. В настоящее время отмечается снижение содержания витаминов, минеральных веществ, ПНЖК в продуктах питания вследствие применения интенсивных агротехнологий, что приводит к разного рода микроэлементозам, авитаминозам, выражающимся в различных обменных нарушениях и аутоимунных заболеваниях. Мучные изделия длительного срока хранения – сухари, галеты, хлебцы – важная часть рациона питания. Обогащение этих продуктов минеральными веществами, витаминами, белками открывает возможности направленного позитивного биокорректирующего влияния на различные функции организма с целью профилактики и лечения широкого круга заболеваний алиментарного характера [8–10]. Особенно актуальны высокопротеиновые продукты, обогащенные минеральными элементами и витаминами природного происхождения, источниками которых являются продукты глубокой переработки растительного сырья – зародышей пшеницы, гороха, сои, морской капусты, семян черного тмина. Выбранные биокорректирующие ингредиенты содержат протеины и полисахариды, обладающие высокой влагосвязывающей и влагоудерживающей способностью, что способствует повышению стабильности показателей качества галетных изделий функционального назначения при хранении.

Материалы и методы

Экспериментальное исследование состояния влаги в мучных изделиях проводили с помощью прибора синхронного термического анализа (ТГ-ДТА/ДСк), модель STA 449 F3 Jupiter, методами термогравиметрии, дифференциально-сканирующей калориметрии и неизотермической кинетики с нахождением степени превращения α .

Данный метод позволяет регистрировать тепловые эффекты физико-химических и структурных изменений, происходящих в продукте при управляемом воздействии высокой температурой. Метод термогравиметрии обеспечивает контроль изменения массы исследуемого образца при нагреве или охлаждении в диапазоне температур, соответствующих фазовым превращениям влаги в образце. Для получения дифференциальных зависимостей dТГ и dДСК использовали программное обеспечение MS Ехсеl и NETZSCH Proteus. Нагрев производили в диапазоне температур 25–300 оС, скорость нагрева составляла 5 К/мин, использовали тигли из оксидированного алюминия, среда – газообразный азот, класс 5, расход продувочного газа – 60 мл/мин. Количественную оценку фракций влаги различных форм связи проводили по экспериментальным данным в соответствии с методикой [1–5]. В базовый состав исследуемых протеиновых галет, обогащенных минералами и витаминами, входили: тапиоковый крахиал, куриные яйца, сычужный сыр жирностью не менее 45%, композиция растительных масел, оптимизированная по соотношению омега-3-омега-6 жирных кислот, вода (образец 6 – контроль). В качестве биокорректоров – дополнительных источников протеинов, пребиотиков, минералов и витаминов, пролонгирующих сроки годности протеиновых галет, исследовали композицию из частично обезжиренной муки зародышей пшеницы «Витазар» и отрубей пшеничных в соотношении 1:1 (образец № 1). В состав данной композиции дополнительно вводили порошок из морской капусты (образец № 2), изолят соевого белка (образец № 3), изолят горохового белка (образец № 4), муку семян черного тмина (образец № 5).

Результаты и обсуждение

На основе полученных экспериментальных зависимостей было зафиксировано наличие эндотермических эффектов и соответствующих им изменений массы образцов (таблица 1) .

Таблица 1.

Тепловые эффекты в процессе термолиза образцов мучных изделий

Table 1.

Thermal effects in the process of thermolysis of samples of flour products

Образец Sample	Эндотермический эффект Endothermic effect	Температурный интервал, Δ T, oC Temperature interval, Δ T, oC	Энтальпия, Дж/кг Enthalpy, Дж/кг	Изменение массы образца, % Sample weight change, %
1	2	3	4	5
1	I	57–79	2,022	3,1
	II	243–294	18,44	21,2
2	I	54–82	5,044	2,6
	II	264–290	4,367	12,2

Продолжение табл. 1 | Continuation of table 1

3	I	54–83	4,349	2,7
	II	267–294	5,222	17,1
4	I	60–75	5,658	2,3
	II	258–293	5,216	15,2
5	I	53–86	7,007	2,7
	II	247–292	14,21	19,2
6 (контроль control)	I	56–85	3,619	4,5
	II	233–293	19,14	23,3

В результате термического анализа исследуемых образцов выделены эндотермические эффекты I–II, соответствующие процессам удаления свободной и осмотически связанной влаги, в различных температурных диапазонах: № 1 – 57..79 и 243..294 °C; № 2 – 54..82 и 264..290 °C; № 3 – 54..83 и 267..294 °C; № 4 – 60..75 и 258..293 °C; № 5 – 53..86 и 247..292 °C; № 6 (контроль) – 56..85 и 233..293 °C.

По возрастанию величины диапазона температуры, при которой наблюдается эндотермический эффект, исследуемые образцы можно распределить следующим образом: № 6 (контроль), 3, 5, 2, 1 и 4. Полученные данные свидетельствуют о возрастании степени связывания влаги в образцах, содержащих растительные биоактивные компоненты, вследствие дополнительного связывания влаги содержащимися в составе биополимерами. В процессе термического воздействия масса навесок исследуемых образцов изменялась, остаточная масса контрольного образца составила 59,91%, а опытных образцов – № 1 – 64,11%, № 2 – 63,98%, № 3 – 61,55%, № 4 – 65,54%, № 5 – 62,34%. Наибольшая степень связанности влаги отмечается в образце № 4.

Преобразование участка зависимости изменения массы ТГ, соответствующего процессу дегидратации в указанных выше температурных интервалах, позволило получить зависимость превращения вещества α , мг/мг, от температуры образца Т, К (рисунок 1) . Степень превращения вещества вычисляли по отношению текущего изменения массы Δ m i на момент времени τ к общему изменению массы Δ m max .

Рисунок 1. Зависимость степени превращения α от абсолютной температуры нагрева – Т образцов мучных изделий с включением растительных компонентов (1–5) и контрольного образца (6)

Figure 1. Dependence of the conversion α on the absolute heating temperature – T samples of flour products with the inclusion of plant components (1–5) and the control sample (6)

Полученные зависимости α=f(T) имеют S-образный вид, соответствующий сложному процессу дегидратации образцов и высвобождения фракций влаги с различной энергией связи на различных этапах термического анализа.

Интервалы степени превращения Δα , соответствующей первой (свободной), второй (механически связанной) и третьей (химически связанной) ступени удаления влаги, представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Характеристика дегидратации образцов мучных изделий

Table 2.

Characteristics of the dehydration of samples of flour products

Образец Sample	Номер ступени дегидратации Dehydration stage number	АТ, К	Аа	Массовая доля удаляемой влаги, % Mass fraction of moisture removed, %
1	1	298–343	0–0,12	4,30
	2	343–429	0,12–0,82	25,12
	3	429–445	0,82–1,0	6,46
2	1	298–344	0–0,16	5,76
	2	344–430	0,16–0,84	24,49
	3	430–447	0,84–1,0	5,76
3	1	298–349	0–0,21	8,07
	2	349–422	0,21–0,87	25,37
	3	422–451	0,87–1,0	4,99
4	1	298–351	0–0,11	2,79
	2	351–434	0,11–0,78	24,08
	3	434–452	0,78–1,0	7,13
5	1	298–339	0–0,19	7,15
	2	339–426	0,19–0,86	25,23
	3	426–442	0,86–1,0	5,27
6 (контроль control)	1	298–360	0–0,23	11,22
	2	360–434	0,23–0,84	24,45
	3	434–470	0,84–1,0	4,41

Зависимость lg а=( 10 3 /T) позволяет идентифицировать три фазы дегидратации образцов, соответствующие высвобождению влаги различных форм и энергий связи. 1-я фаза процесса – участки А i В i – нагрев и удаление свободной влаги, 2-я фаза – участки В i С i – удаление адсорбционно и осмотически связанной влаги, частичное разложение продукта, 3-я фаза процесса дегидратации – участки

С i D i – разложение продукта, выделение газообразных продуктов термического разложения и удаление физико-химически связанной влаги (рисунок 2, таблиц а 2) . Аппроксимация полученных кривых позволяет получить трехлинейные сплайны. Выделенные участки свидетельствуют о ступенчатом удалении влаги в соответствии с формами ее связи с биополимерами экспериментальных образцов.

Рисунок 2. Зависимость - lg a= ( 10 3 /T) при скорости нагрева среды 5 К/мин для образцов мучных изделий с включением растительных компонентов (1–5) и контрольного образца (6)

Figure 2. The dependence - lg a=f ( 10 3 /T) at a heating rate of 5 K/min for samples of flour products with the inclusion of plant components (1–5) and the control sample (6)

На участках А 1 В 1 –А 6 В 6 при температуре 298–360 К происходит разрушение связей типа «вода-вода», количество удаляемой влаги составляет 4,30, 5,76, 8,07, 2,79, 7,15% в образцах № 1–5 соответственно и 11,22% – в контрольном образце. Участки В 1 С 1 – В 6 С 6 располагаются в диапазоне температур 343–434 К и соответствуют удалению механически связанной (адсорбционной) влаги, массовая доля удаляемой влаги составила 25,12, 24,49, 25,37, 24,08, 25,23% для исследуемых образцов № 1–5 соответственно и 24,45% – для контрольного образца. Сопоставление участков С 1 D 1 – С 6 D 6 опытных и контрольных образцов, располагающихся в температурном диапазоне 422–470 К, свидетельствует о возрастании доли физикохимически связанной влаги.