автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Разработка технологии зернового концентрата из ферментированного зерна для использования в хлебопечении

На правах рукописи

АС

Клепов Роман Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗЕРНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ФЕРМЕНТИРОВАННОГО ЗЕРНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ХЛЕБОПЕЧЕНИИ

Специальность: 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки

злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел 2013

5 ДЕК ¿013

005542746

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, зав.

кафедрой «Химия и биотехнология» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» Кузнецова Елена Анатольевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, зав.

кафедрой «Товароведение и экспертиза товаров» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I Дерканосова Наталья Митрофановна

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и товароведение продуктов питания» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» Полякова Елена Дмитриевна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Орловский

государственный аграрный университет»

Защита состоится « 26 » декабря 2013 года в 12 часов 30 минут на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.182.08 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу 302020. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, ауд.212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»

Отзывы высылать по адресу: 302020 г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29

Объявление о защите диссертации и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»: www.gu-unpk.ru и размещен в сети интернет на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak.ed.gov.ru « 25 » ноября 2013 года.

Автореферат разослан « 25 » ноября 2013 года

Ученый секретарь Совета,

кандидат технических наук, доцент Симоненкова А.П.

Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из основных направлений развития зерноперерабатывающей отрасли является поиск новых видов сырья и способов его переработки. Исследования, направленные на использование ценных в пищевом отношении зерновых злаковых культур (ячменя, овса, тритикале), позволят расширить ассортимент вырабатываемой продукции с функциональными свойствами. Диетологи рекомендуют изготовлять хлеб не только из муки высших сортов, но и из цельнозерновых продуктов. Это требование продиктовано необходимостью сохранения в муке и хлебе пищевых волокон и других биологически активных соединений (белков, витаминов, минеральных веществ), содержащихся в периферических зонах зерновки в большом количестве. Зерновые концентраты, представляющие собой композиционные зерновые смеси с повышенной пищевой ценностью возможно использовать как в качестве готовых смесей для приготовления зерновых хлебобулочных изделий, так и как обогащающий компонент к традиционной пшеничной муке, дробленым и тонкозерновым крупам. Рост производства и расширение ассортимента зернового хлеба свидетельствует об актуальности и перспективности развития этого направления.

Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по теме: «Исследование взаимосвязи гидролиза фитина семян злаковых культур с повышением биодоступности минеральных веществ», Соглашение 14.В37.21.1922 (2012-2013 г.г.)

Степень разработанности темы исследования. Обоснованию основных принципов и подходов к разработке новых технологий качественных и безопасных зерновых хлебобулочных изделий с использованием ферментных препаратов цел-люлолитического действия посвящены работы Поландовой Р.Д., Матвеевой И.В., Корячкиной С.Я., Дерканосовой Н.М., Кузнецовой Е.А., Хмелевой Е.В., Пригариной О.М., Черепниной Л.В. и других.

Фермент фитаза традиционно применяется в пищевых технологиях в составе комплексного ферментного препарата целлюлолитического действия. Применение комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии зернового хлеба исследователи рассматривали только с точки зрения повышения качества готовых изделий и снижения содержания тяжелых металлов в них. В научно-технической литературе отсутствуют обоснованные подходы к проблеме повышения пищевой ценности зернового сырья и продуктов его переработки за счет повышения доступности фосфора и других биологически активных соединений, входящих в состав фитина, а также сведения о влиянии отдельных ферментов комплекса препарата на изменение биохимических характеристик субстратов. Получение этих данных позволит корректировать состав ферментных комплексов препаратов в зависимости от цели их использования.

Цель работы - разработка технологии зернового концентрата, основанной на применении фитазосодержащего комплексного ферментного препарата для хлебопекарной отрасли.

Для достижения цели в ходе исследования были поставлены задачи:

1. обоснование рациональных доз комплексного ферментного препарата на основе фитазы и параметров ферментативного гидролиза зерна хлебных злаков в технологии получения зернового концентрата;

2. изучение изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных ферментов комплекса препарата на основе фитазы;

3. исследование распределения минеральных элементов в зерновке пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;

4. разработка технологии приготовления зернового концентрата;

5. разработка технологии хлебобулочного изделия с использованием зернового концентрата, определение показателей качества;

6. определение пищевой ценности и безопасности, разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на его основе;

7. определение экономической эффективности разработанного зернового хлебобулочного изделия, разработка технической документации на зерновой концентрат и новый вид хлебобулочного изделия и их опытно-промышленная апробация.

Научная новизна. Диссертация содержит элементы научной новизны в рамках пункта 8 паспорта специальности 05.18.01.

Обоснованы параметры ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов оболочек зерна под действием биокатализаторов на основе целлюлаз, входящих в состав комплексного ферментного препарата на основе фитазы (оптимальные дозы ферментных препаратов, продолжительность замачивания) с точки зрения повышения степени дисперсности композитной зерновой смеси для использования в технологии хлебобулочного изделия.

Экспериментально установлено, что комплекс ферментов целлобиогидролазы и ксиланазы обеспечивает наибольшее увеличение скорости поглощения влаги зерном злаковых культур и степени гидролиза субстратов.

Расширены представления об изменении анатомии, морфологии и микроструктуры поверхности зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя в условиях ферментативного гидролиза под действием индивидуальных ферментов целлюлаз-ного комплекса целлобиогидролазы, Р-глюканазы, ксиланазы и их сочетаний цел-лобиогидролаза+Р-глюканаза ицеллобиогидролаза+ксиланаза.

Получены новые данные о распределении биогенных минеральных элементов по анатомическим частям зерновки после обработки зерна хлебных злаков комплексным ферментным препаратом на основе фитазы.

Теоретическая и практическая значимость.

Разработана и научно обоснована технология производства зернового концентрата из целого зерна хлебных злаков (пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя), основанная на обработке целого нешелушенного зерна комплексным ферментным препаратом, содержащим карбогидразы и фитазу, позволяющая повысить доступность фосфора и биогенных минеральных соединений. Разработана технология хлебобулочного изделия из зернового концентрата, позволяющая получить хлеб

повышенной пищевой ценности с органолептическими и физико-химическими показателями качества не ниже, чем у зернового хлеба, выработанного по ГОСТ 25832-89.

Разработана и утверждена техническая документация на концентрат зерновой «Семейство злаковых» ТУ 9295-242-02069036-2013 и на изделие хлебобулочное «Румяный колобок» ТУ 9113-287-02069036-2013. Проведена промышленная апробация разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на ОАО «Наш продукт» и участке хлебопечения комбината общественного питания Госуниверситета-УНПК.

Получена приоритетная справка на патент РФ № 2013143452 от 25.09.13 «Способ изготовления концентрата зернового», в котором сформулированы предложенные технологические приемы.

Разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Химия и биотехнология» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» при изучении дисциплин «Пищевая биотехнология», «Основы биотехнологии», «Ферменты: структура, свойства и применение», «Пищевая химия».

Методология и методы исследования. Объектами исследования являлось зерно пшеницы (ГОСТ Р 52554), ржи (ГОСТ Р 53049), тритикале (ГОСТ Р 53899), овса (ГОСТ Р 28673), ячменя (ГОСТ Р 28672), комплексный ферментный препарат на основе фитазыР 4.2Впродуцент Pénicillium canescens, в состав которого входят целлобиогидролаза, р-глюканаза, ксиланаза и фитаза (фитазная активность 12008 ед/г, ксиланазная - 803 ед/г), зерновой концентрат, полуфабрикаты и хлебобулочные изделия на основе целого зерна, в технологии которых использовали биокатализаторы. Предметом исследования были химический и микробиологический состав зерна, биохимические, анатомические и морфологические свойства зерна и зернового концентрата, органолептические, физико-химические и реологические свойства полуфабрикатов и зерновых хлебобулочных изделий.

В работе использованы стандартные и общепринятые методы оценки состава и свойств зерна, полуфабриката и готовых зерновых хлебобулочных изделий: физико-химические, реологические, микроскопические, биохимические. Микроструктурные исследования проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа Jeol JSM 6390, содержание витаминов - методом ВЭЖХ на приборе «Мили-хром УФ-5».

Реологические свойства теста исследовали на капиллярном вискозиметре. Органолептическую оценку хлеба проводили в соответствии со шкалой балльной оценки предложенной во МГУПП. Аминокислотный состав белка в исследуемых образцах определяли на аминокислотном анализаторе Chromaspek (США).

Работа выполнялась в лабораториях кафедр «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» и «Химия и биотехнология», в испытательной лаборатории и в Орловском региональном центре коллективного пользования контрольно-измерительным оборудованием ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», а также в лаборатории агроэкологии ГНУ ВНИИСПК (г. Орел).

Обработку экспериментальных данных проводили на основе методов математической статистики с применением программного обеспечения Statistika 6.0 и Microsoft Excel. На рисунке 1 представлена структурная схема исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- оптимальные режимы ферментативного гидролиза и рациональные дозы комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии получения зернового концентрата;

- результаты экспериментальных исследований изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных карбогидраз;

- экспериментальные данные по распределению биогенных минеральных элементов в анатомических частях зерновки пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;

- научно-обоснованные технологические решения по созданию зернового концентрата на основе применения фитазосодержащего комплексного ферментного препарата и хлебобулочного изделия с использованием зернового концентрата.

Степень достоверности результатов обеспечивается большим массивом экспериментальных данных, полученных и обработанных с применением стандартных, общепринятых и специальных методов; согласованностью результатов с известными представлениями о составе, структуре, свойствах зернового концентрата и зернового хлебобулочного изделия; подтверждается актом промышленных испытаний, публикацией основных положений диссертации в рецензируемых печатных изданиях.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований были представлены на Международных научных конференциях: «Стратегия развития индустрии гостеприимства и туризма» (Орел, 2011 г.); «Потребительский рынок: качество товаров и услуг» (Орел, 2011 г); «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2011 г); «Биология - наука XXI века» (Москва, 2012 г.); «Фундаментальные и прикладные аспекты создания биосферосовместимых систем» (Орел, 2012 г.), а также Всероссийских конференциях: «Экология и безопасность в техносфере» (Орел, 2010 г.), «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ — оз. Байкал, 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе в 5 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на_страницах и содержит_таблиц и_рисунков. Список литературы включает 152 источника, в том числе 26 иностранных.

Рисунок 1 - Структурная схема проведения исследований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность, цель и задачи, научная новизна, практическая и теоретическая значимость диссертации, а также положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведен аналитический обзор литературы по вопросам повышения пищевой ценности хлеба, питательной ценности и особенностей химического состава исследуемых зерновых хлебных злаков, применения зерновых композитных смесей в хлебопечении, рассмотрены субстраты для целлюлолитических ферментов и фитазы.

Глава 2 содержит описание организации и постановки эксперимента, объектов исследования, применявшихся методик получения и обработки данных.

В последующих главах изложены результаты экспериментальных исследований диссертационной работы и приводится их обсуждение.

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное обоснование использования ферментного препарата на основе фитазы при производстве зернового концентрата.

Представлены результаты экспериментального изучения показателей качества и химического состава зерна, используемого для разработки зернового концентрата. Зерно пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя по всем показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ. Определено содержание в исследуемом зерне злаковых культур основных питательных веществ: белков, углеводов, жиров, пищевых волокон (клетчатки, гемицеллюлоз, Р-глкжана), минеральных веществ. Установлено, что наиболее богато Р-глюканом (4,2 %) и минеральными соединениями зерно овса (таблица 1).

Таблица 1 - Содержание минеральных веществ в зерне злаковых культур (средние данные за 2010-2012 г.г.), мг/кг____

Зерно Фосфор 1 Ьшк Медь Марганец Железо Кобальт

Пшеница «Московская 39» 52,87±5.4 22,43±1.23 2,130±0.127 37,5±2,1 34,3±4,5 0.042±0,003

Рожь «Талловская 33» 63,65±4,9 24,15±1.07 3,236±0.156 44,8±2,5 32,5±6,3 0.116±0,015

Тритикале «Немчиновская 56» 53,98±3,7 18,25±1,13 1,020±0.112 40,7±1,9 38,5±7,0 0,131±0,018

Овес «Скакун» 45,77±4,2 28,36±1.06 5,642±0.237 64,2±3,4 48,0±9,2 0.235±0,029

Ячмень «Вакула» 34,47±3,6 26,59±1,29 6,234±0,255 48,6±2.7 46,0±8,0 0,198±0,016

Средний химический состав зерна различных видов различается по содержанию минеральных веществ. Так, высоким содержанием меди характеризуется зерно ячменя (6,234 мг/кг), в то время как марганец (64,2 мг/кг), железо (88,0 мг/кг), кобальт (0,235 мг/кг) и цинк (28,36 мг/кг) в большем количестве представлены в зерне овса, а фосфор (63,65 мг/кг) - в зерне ржи. Однако минеральные вещества не всегда

находятся в доступной форме в зерновых продуктах. Многие из них связаны в нерастворимые комплексы с фитином [Барсукова, B.C., 1997] или присоединяются к поперечным сшивкам длинноцепочечных неперевариваемых компонентов клеточных стенок [Lane S.D., 1978].

Зерновой концентрат разрабатывался для использования в производстве хлебобулочных изделий. Для получения хлеба из цельносмолотого зерна повышенного качества степень дисперсности отрубных частиц должна быть приближена к степени дисперсности муки.

Для размягчения периферических частей зерна и повышения доступности минеральных элементов использовали комплексный ферментный препарат на основе фитазы. Рациональные дозы препарата определяли в результате математической обработки экспериментальных данных. Оптимальная температура гидролиза 50 °С, pH 4,5, соотношение «зерно:вода» 1:1. Кислотность среды поддерживали путем использования ацетатного буфера.

На рисунке 2 представлен график поверхности, полученный при обработке экспериментальных данных по влиянию дозировки комплексного ферментного препарата на основе фитазы на степень дисперсности измельченного зерна при разной продолжительности гидролиза на примере зерна пшеницы.

Установлено, что оптимальной дозировкой ферментного препарата на основе фитазы при замачивании зерна пшеницы и овса является 0,48 ед/г, зерна тритикале - 0, 56 ед/г ксиланазной активности, оптимальная продолжительность замачивания - 6 часов. Для зерна ржи оптимальная дозировка препарата 0,72 ед/г, ячменя 0,64 ед/г ксиланазной активности, продолжительность гидролиза 8 часов.

Реакции гидролиза некрахмальных полисахаридов под действием ферментного комплекса препарата происходят в водной среде. Динамика поглощения влаги зерном пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя, обработанным раствором, содержащим оптимальные дозы комплексного ферментного препарата на основе фитазы F 4.2В, представлена на рисунке 3.

Наибольшая интенсивность влагонакопления характерна для зерна овса. Зерно ячменя накапливает влагу медленнее и более равномерно по сравнению с зерном других злаковых культур. При оптимальной продолжительности замачивания зерно хлебных злаков достигает значения влажности 38-41 %. Различия в продолжительности влагонакопления связаны со строением и химическим составом клеточных стенок зерна изучаемых культур. На рисунке 4 представлены микрофотографии анатомической поверхности периферических частей зерновки изучаемых хлебных злаков на поперечных срезах после ферментативного гидролиза. Изображения показывают, что плодовые и семенные оболочки зерна пшеницы и тритикале имеют

■е is i

Рисунок 2 - Влияние дозы препарата на основе фитазы и продолжительности замачи вания зерна пшеницы на степень дисперсно сти зерна при помоле

четко выраженную слоистую структуру, между плодовой и семенной оболочкой

находятся пустоты размером до 2,5

мкм.

У зерна ржи также обнаруживается слоистая структура в периферических частях зерновки, однако микроструктура оболочек более компактно упакованная, слои плотно прилегают друг к другу, расслоение между слоями — до 3,0 мкм. Оболочки зерновки овса имеют рыхлую микроструктуру, отдельные слои накладываются друг на друга. Между слоями наблюдаются промежутки 0,1-0,25 мкм. Оболочки зерна ячменя в отличие от всех других хлебных злаков, имеют наиболее плотную упаковку. Следовательно, вода легче проникает через оболочки овса в центральные части зерновки. Несмотря на то, что самое высокое содержание клетчатки характерно для зерна овса, соотношение кристаллической и аморфной целлюлозы в нем составляет 2.1 I, тогда как в зерне пшеницы -

—■ Пшеница

- Тритикале

Продолжительность ЮМЯЧИЯЙНПЯ. ч у- 0,«48л! - 1.8436Х2-'- 12.999л - 11.717 К3 -0,998«

12,424

- Л -- Рожь

■ ->* - Ячмень

у~ О.стеЗх5 - 1,6396л2 11,881л

Я1- 0.989 у - О.ОСЮбх3 - 1,4383л2 ^ 11,429х* 10,73 ГГ - 0.9998

у- 0.0569л5 - 1,1649л2* 8.9663л - 11.348 Я2 - 0.9908

у - 0,1135л3

- 2,3071л -ъ 14,871л * 11,57 К2 - 0.9966

Рисунок 3 - Кинетика поглощения влаги зерном хлебных злаков

2,62, ржи — 2.75. тритикале - 2,33. ячменя - 3.37.

Рисунок 4 - Микрофотографии поверхности оболочек зерна злаковых культур на поперечном срезе, увеличение 4000х (1 - пшеница. 2 - рожь. 3 — тритикале, 4 — овес, 5 - ячмень)

С целью изучения влияния отдельных ферментов, входящих в состав комплекса препарата на основе фитазы, на влагонакопление и изменение некоторых биохимических показателей субстратов гидролиза в зерне злаковых культур проведены исследования с использованием для замачивания зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя экспериментальных лабораторных образцов ферментных препаратов, полученных на основе грибной культуры Pénicillium canescens, которые представляют собой индивидуальные ферменты: целлобиогидролазу, ксиланазу, (3-глюканазу, а также комплексы целлобиогидролаза+(3-глюканаза, целлобиогидро-лаза+ксиланаза (лаборатория физико-химической биотрансформации полимеров химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова).

Для зерна всех изучаемых злаковых культур в динамике влагонакопления отмечены общие закономерности. При замачивании зерна в растворах ферментных препаратов процесс влагонакопления происходит быстрее, чем при замачивании в воде. Так, при замачивании зерна пшеницы в воде за 6 часов гидролиза влажность зерна достигает 32,5 %, в то время как при замачивании в растворе ферментных препаратов, содержащих ксиланазу - 37,6-39,0 %. Комплекс ферментов целлобио-гидролаза+ксиланаза характеризовался наибольшей эффективностью при гидролизе целлюлозы и гемицеллюлоз зерна хлебных злаков. Под действием данного комплекса ферментов концентрация целлюлозы в зерне пшеницы через 8 часов замачивания снизилась и составила для зерна пшеницы 1,9 %, ржи и тритикале — 2,1 %, овса и ячменя — 11,6 и 5,4 % соответственно. Под действием указанного сочетания ферментов отмечается увеличение количества восстанавливающих Сахаров в пересчете на глюкозу. Так, этот показатель для зерна овса через 8 часов обработки в растворе ферментного препарата целлобиогидрола-

за+ксиланаза увеличился в 3,2 раза по сравнению с сухим зерном.

Динамика изменения содержания гемицеллюлоз под действием исследуемых ферментов целлю-лазного комплекса на примере зерна пшеницы представлена на рисунке 5. Содержание гемицеллюлоз в зерне хлебных злаков под действием ферментов снижается на 13,2-21,5 %. Экспериментально установлено, что целлобиогидролаза в качестве индивидуального фермента чрезвычайно слабо катализирует гидролиз клетчатки. Этот фермент в сочетании с гемицеллюлазами ([3-глюканазой или ксиланазой) действует на субстрат значительно интенсивнее. Вероятно это связано с тем, что ксиланаза и [З-глюканаза первыми атакуют матрикс клеточных стенок растений модифицируя, нарушая систему межмолекулярных связей между основными структурными компонентами полисахаридного комплекса, происходит процесс мацерации структур оболочек и частичная фрагментация самих полимеров, а также деструктуризация гемицеллюлоз, образующих экранирующий слой на поверхности целлюлозных микрофибрилл, не затрагивая целлюлоз-

U -Без ферментного препарата —<■— Целлобиогидролаза

Ксиланаза —— @-глкжанаэа

—■*>—Целлобиогидролазэ+р-глюканаза —Целлобиотдролаза+Ксиланаза

Рисунок 5 - Изменение содержания гемицеллюлоз в зерне пшеницы в процессе замачивания

ных волокон. Целлобиогидролазы отщепляют целлобиозу и глюкозу в процессе гидролиза целлюлозы и целлоолигосахаридов. Под действием ферментных препаратов снижается содержание крахмала в зерне пшеницы, ржи и тритикале на I 1,8-18,8 %,в зерне овса и ячменя - на 5,9-10.3 %.

В состав каждого из изучаемых лабораторных ферментных препаратов был введен фермент фитаза, после чего были проведены исследования влияния созданных ферментативных комплексов на изменение фитазной активности зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя (таблица 2).

Таблица 2 — Влияние состава ферментных комплексов на изменение фи-

тазной активности субстратов, е.ф.а.

Зерно злаковых культур Целлобио-гидролаза+ фитаза р-глюканаза +фитаза Ксилаиаза+ фитаза Целлобио-гилролаза+(3-глкжаназа+ фитаза Целлобио-гидрола-за+ксиланаза+ фитаза

пшеница 385±12 580±21 640±22 900±33 980±27

рожь 430±19 635±19 750±28 1075±35 1150±20

тритикале 400±17 600±20 710±18 1005±27 I060±34

овес 520±19 880±24 940±25 1420±27 1600±40

ячмень 480±11 685±16 735±21 1200±30 1400±30

Фитазную активность определяли по скорости высвобождения фосфорной кислоты из субстрата. Из данных таблицы 2 следует, что обработка зерна целлобиогидролазой в сочетании с (3-глюканазой или ксиланазой приводит к повышению фитазной активности в 1,4-2.3 раза по сравнению с индивидуальными ферментами. Это указывает на синергический эффект в действии ферментов комплекса. Экспериментально установлено, что в результате согласованного действия ферментов комплекса целлобиогидролазы и ксиланазы изменяется рельеф поверхности зерна, увеличиваются размеры пор в семенной и плодовой оболочках зерновки, что способствует проникновению фермента фитазы в алейроновый слой к месту гидролиза фитина и приводит увеличению податливости субстрата действию фермента фитазы.

На рисунке 6 приведена динамика изменения фитазной активности в зерне пшеницы под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы. Зерно пшеницы, замоченное в воде через 8 часов, характеризуется скоростью высвобождения фосфорной кислоты в 2.8 раз ниже, чем зерно, обработанное препаратом. Увеличение фитазной активности в зерне замоченном в воде объясняется ростом активности эндогенной фитазы и активизацией других процессов приводящих к выделению фосфора. Для других злаковых культур изменение показателя фитазной активности идентично.

Микрофотографии поверхности алейронового слоя нативного зерна пшеницы и зерна после проведения ферментативного гидролиза в растворе комплексного ферментного препарата на основе фитазы при оптимальных параметрах замачивания представлены на рисунке 7.

На микрофотографии [2] обнаруживается неплотная упаковка алейроновых зерен, часть зерен разрушена, что свидетельствует об осуществлении процессов гидролиза, в том числе фитатов. В условиях рациональных параметров ферментативного гидролиза, исследовали распределение минеральных элементов в анатомических частях зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя после замачивания с помощью рентгеноспектрального ЭДС детектора miniCup в системе электронного сканирующего микроскопа JEOL JSM 6390.

" Зерно, замоченное в воле

Продолжительность замачивания, ч

— Зерно, замоченное в

присутствии ферментного препарата на основе фитазы

Рисунок 6 - Кинетика изменения фигазной активности в зерне пшеницы

Рисунок 7 - Микрофотографии алейронового слоя зерна пшеницы (1 - нативное зерно, 2 — зерно, обработанное ферментным препаратом на основе фитазы), увеличение !900х.

Полученные данные относительного содержания химических элементов представлены в таблице 3. Проведенные исследования показали, что после замачивания в растворе ферментного препарата на основе фитазы, происходит миграция минеральных веществ в пределах зерновки. Снижается количество изучаемых элементов в алейроновом слое и значительно возрастает в эндосперме.

Таблица 3 - Влияние ферментного препарата на основе фитазы на распределение минеральных веществ в морфологических частях зерновки злаковых культур

Химическийэ лемент Содержание минеральных элементов в морфологических частях зерна, масс %

Плодовая и семенная оболочки алейроновый слой эндосперм

Нативное зерно Замоченное в препарате Нативное зерно Замоченное в препарате Нативное зерно Замоченное в препарате

пшеница

0,08 0,04 2,03 - 0,05 0,08

Р 0,04 0.09 3,95 0,25 0,02 0,78

Са 0,18 0,10 1.05 0,19 0,01 0,47

Мп 0.0] 0,02 0,02 0,01 - 0,24

Ре 0,01 0.02 0,11 0,01 - 0,38

Си 0,15 0,03 0,07 0,16 0,10 0,19

Та 0.03 - 0,01 0,24 - 0.46

рожь

Ме 0.05 0,01 2,38 - 0,05 0,38

Р 0.07 1,06 5,99 0,38 0,13 2,36

Са 0,02 0.06 2,01 0,20 0,02 1,40

Мп 0,10 - - 0,31 - 0,48

Ре 0.04 0,01 - 0,09 0,09 0,64

Си 0,10 0,06 0,07 0,32 0,11 0,44

Тп 0,02 - - 0,46 0,22 0,58

тритикале

м8 2,05 0,01 1,25 0.06 0,44 1,56

Р 1,07 0,06 2,04 0,34 0,16 1,65

Са 0,12 0,15 2,85 0,15 - 0,82

Мп 0,03 - - 0.07 0,23 0,74

Ре 0,32 0,02 0,38 0,13 0,25 1,28

Си 3.10 0,05 2.65 0,19 0,44 1,26

7.П 0.44 - 2,36 0,32 0,85 3,38

овес

мв 1,14 0,23 2.52 0,11 0,56 1,69

Р 0,46 0,08 4,68 0,41 0,22 1,73

Са 0,09 0,08 0,97 0,30 0,07 0,79

Мп 0,04 0,08 1,14 0,20 0,17 0,65

Ре 0.45 0,11 0,55 0,12 0,31 1,12

Си 2,16 0,13 1,34 0,22 0,28 1,67

Ъа 0,76 0,04 2,01 0,19 0,40 4,02

ячмень

м8 0,85 0,09 1,15 0,06 0,04 0,10

Р 0,09 0.11 2,86 0,17 0.02 0,98

Са 0.13 0,08 1,22 0,21 0,01 0.67

Мп 0,03 0,02 0,08 0,05 - 0,36

Ре 0,08 0,04 0,19 0,06 - 0,42

Си 0.23 0,07 0.24 0,05 0,10 0,27

гп 0,12 - 0,38 0,07 - 0,58

Полученные экспериментальные данные подтверждают, что в процессе гидролиза фитина фитазой грибного происхождения распадаются комплексы, образованные фитином с минеральными элементами: кальцием, магнием, железом, медью и цинком. Следовательно, доступность этих соединений возрастает.

Было изучено относительное содержание химических элементов в промывных водах после замачивания зерна хлебных злаков в оптимальных условиях с комплексным ферментным препаратом на основе фитазы. Установлено, что биогенные микроэлементы незначительно переходят в промывные воды.

Таким образом, проведенные исследования показали, что фитазы - действенный механизм регулирования минеральной ценности рациона. Применение фитаз в технологии хлебобулочных изделий позволит повысить их биологическую ценность.

Глава 4 Разработка технологии зернового концентрата и зерновых хлебобулочных изделий на его основе

На основе проведенных исследований предложена технология зернового концентрата, который представляет собой сухую смесь зерна хлебных злаков: пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя. Зерно каждой зерновой культуры раздельно предварительно подвергалось ферментативному гидролизу под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы F4.2B в оптимальных условиях для действия ферментного комплекса. После осуществления замачивания зерна хлебных злаков его промывали в течение 5-10 минут водопроводной водой и сушили методом конвективной сушки до достижения влажности зерном 14-15 % для дальнейшего размола с целью получения мелкодисперсного зернового концентрата.

Экспериментально установлено, что сушка при температуре 60 °С в течение 120-180 минут, не оказывает существенного влияния на содержание фракций про-ламинов и глютелинов. Схема производства зернового концентрата представлена на рисунке 8.

Сравнение химического состава муки пшеничной высшего сорта и зернового концентрата показало, что по суммарное содержание пищевых волокон зерновой концентрат превосходит муку пшеничную на 49,6 %, по количеству белка на 18 %.

Зерновое хлебобулочное изделие готовили безопарным способом из смеси разработанного зернового концентрата и муки пшеничной высшего сорта в соотношении 90:10, 80:20, 70:30 и 60:40. При замесе добавляли дрожжи, соль поваренную, сухую пшеничную клейковину. Замес осуществляли общепринятым способом. Тесто оставляли на брожение при температуре 30-32 °С и относительной влажности воздуха 75-85 %, до достижения тестом кислотности 4,5 град. По окончании брожения готовое тесто разделывали на куски массой 0,2 кг, придавая тестовым заготовкам овальную форму и помещали на расстойку, которую осуществляли при температуре 35-40 °С и относительной влажности воздуха 75-85 % в течение 35-40 минут. Выпечку изделий осуществляли при температуре 180-200 °С в течение 30-40 минут. За контроль был принят хлеб зерновой, выработанный по ГОСТ 25832.

При изучении с помощью капиллярного вискозиметра реологических характеристик всех образцов теста при различных соотношениях зернового концентрата и муки пшеничной высшего сорта после брожения было показано, что при приготовлении опытных образцов теста (с применением зернового концентрата) не происходит резкого снижения значений коэффициента консистенции.

Очистка от примесей

.........................I.......... .... I .......... I ......... .................. ............................ Ч...............

; Замачивание зерна а замочном Замачивание зерна в замочном Замачивание зерна в замочном Замачивание зерна в замочном Замачивание зерна в замочном

чане в ацетатном буфере при чане в ацетатном буфере прн чане в ацетатном буфере при чане в ацетатном буфере при чане в ацетатном буфере при

1=50 °С и рН 4,5 в присутствии г=50 ®С и рН 4,5 в присутствия 1=50 °С и рН 4,5 »присутствии г=50®С ирН 4,5 в присутствии т=504С н рН 4,5 в присутствии

ферментного препарата на ферментного препарата на ферментного препарата на ферментного препарата на ферментного препарата на

основе фитазы основе фитазы основе фитазы основе фитазы основе фитазы

р 4.2В в количестве 0,06 во в р 4.2В в количестве 0.09 *• в Р 4 2В в количестве 0,07 в в в р 4.2В в количестве 0,06 в/в в р 4,2В в количестве 0,08 V» в

течение 6 ч течение 8 ч. течение 6 ч. течение 6 ч течение 8 ч

......I ..... I ........................ I.....................I.................. ^ ...............

Промывание зерна в течение 5-10 мин

. .+..............I ............. » ...... ............ + ..........I

Сушка зерна в установке сушильной конвейерной СК-70 в течение 120-180 мин при 1=50-60 °С

'¡г .........^ .......................... ^ ... .... ^.....

Измельчение зерна на мелышце \VM-200 до дисперсности 0,06-0,08 мкм

1 ........................1.......................... I.......................... I .......................I ......

Смешивание измельченных зерновых культур в мукосмеснтеле-дозаторе МС-3 в соотношении 1:1:1:1:1

_^_^_^_^_^_

Зерновой концентрат «Семейство злаковых» (влажность не более 14,5 %)

Рисунок 8 - Технологическая схема производства зернового концентрата

Это свидетельствует о том, что при замене в рецептуре муки пшеничной высшего сорта зерновым концентратом не происходит ухудшения упругих свойств теста.

Установлено, что вязкость всех образцов теста уменьшается с повышением скорости сдвига (рисунок 9). Это, вероятно, объясняется тем, что под действием возрастающих сдвигающих сил происходит все большая ориентация частиц в направлении течения. В момент приготовления тестовой массы происходит взаимодействие компонентов теста и формируется определенная макро- и микроструктура. При воздействии напряжения нагрузки происходит сдвиг слоев относительно друг друга с сопротивлением, определяемым организовавшейся структурой. Чем больше прикладываемые напряжения и скорости сдвига, тем в больших местах происходит перераспределение компонентов структуры и разрыв связей между ними. За счет этого происходит уменьшение сопротивления смещению слоев относительно друг друга, то есть падает вязкость. Оптимальным соотношением зернового концентрата и муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта является 80:20, при котором не происходит чрезмерного ухудшения реологических характеристик теста.

Зерновые хлебобулочные изделия, выпекаемые из смеси зернового концентрата и муки пшеничной высшего сорта по органолептическим показателям не отличаются от контроля. При соотношении зернового концентрата и пшеничной муки 80:20 хлебобулочное изделие имело пористость 60 % и удельный объем 1,95 см3/г. эти показатели не хуже, чем у хлеба, выработанного по ГОСТ 25832. В таблице 4 представлены показатели качества, а на рисунке 10 - результаты дегустационной оценки разработанного хлебобулочного изделия.

Проведенные исследования структурно-механических характеристик мякиша хлебобулочных изделий показали, что опытные образцы имеют более высокие значения показателей сжимаемости в течение всего периода хранения (48 часов) по сравнению с контрольным. Срок сохранения свежести хлеба при этом увеличивается и достигает 20 часов за счет высокой водоудерживающей способности продуктов частичного гидролиза гемицеллюлоз, образующихся в результате использования для замачивания зерна комплексного ферментного препарата на основе фита-зы.

ь с

к 1 •

и £ а

0,1 ■

0,01

Скорость СДВИГ! Б, 1\с

♦ контроль д образец 3 * образец 2 • образец I

Рисунок 9 - Зависимость вязкости от скорости сдвига (образец 1 - соотношение зерновой концентрат: мука пшеничная высшего сорта 70:30, образец 2 - соотношение 80:20. образец 3 - соотношение 90:10)

Таблица 4 - Показатели качества хлебобулочного изделия «Румяный колобок»

Наименование показателя Содержание характеристики

Внешний вид:

форма Округлая, без боковых выплывов.

поверхность Шероховатая, без трещин, подрывов и выплывов, без загрязнений.

цвет корки Золотисто-коричневый с сероватым опенком.

Состояние мякиша:

пористость Хорошо развитая, в мякише распределены отрубистые частицы. Не допускается отслоение корки от мякиша.

пропеченность Пропеченный, слегка грубый, на ощупь.

промес Без комочков и следов непромеса.

Вкус Свойственный данному виду изделия, без постороннего привкуса.

Запах Свойственный данному виду изделия, без постороннего запаха.

Влажность мякиша, % 46,8

Кислотность мякиша, град 4,0

Пористость, % 60,0

Формоусгойчивость, Н'.Э 0,33

Рисунок 10 — Дегустационная оценка хлебобулочного изделия, приготовленного в соответствии с ГОСТ 25832/1/и смеси зернового концентрата с мукой пшеничной высшего сорта при их соотношении 80:20 /2/

Экспериментально был определен химический состав разработанных продуктов: зернового концентрата и хлебобулочного изделия (таблица 4). Установлено, что в опытном образце содержание основных питательных веществ выше, чем в контрольном варианте. Так, содержание пищевых волокон в хлебе на основе зернового концентрата превышает их количество в контроле в 3,4 раза, в то время как общее содержание низкомолекулярных углеводов снижается наЮ %. В хлебобулочном изделии «Румяный колобок» суммарное количество макроэлементов увеличилось на 42 %, микроэлементов - на 60 %, витаминов - на 32,5 %, аминокислот - на 23,6 %.

Таким образом, на основании проведенных исследований было установлено, что применение зернового концентрата на основе целого ферментированного зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя при производстве хлебобулочного изделия в смеси с мукой пшеничной хлебопекарной высшего сорта при соотношении

80:20 позволяет повысить пищевую и снизить энергетическую ценность продукта массового потребления - хлеба.

Таблица 5 - Содержание пищевых веществ в исследуемых хлебобулочных изделиях ___

Пищевые вещества Минимальная суточная потребность веществ Количество в 100 г продукта

Зерновой концентрат Контроль Хлебобулочное изделие «Румяный колобок»

Белки, г 70,0 14.73 7,22 14,44

Жиры, г 60,0 4.08 1.05 3,47

Углеводы, г 400,0 68,53 44,20 46,73

Клетчатка, г 25,0 6,14 1,28 4,44

Макроэлементы, мг

К 2500,0 43,210 27,422 34,22

Са 800,0 41,090 11,880 37,35

м2 300.0 56,480 34,134 63.30

Р 1000,0 60,720 32,951 48,14

Микроэлементы, мг

Со 0,1 0,120 0,052 0,085

Мп 5,0 0,422 0.111 0,369

Си 2.0 0,527 0,143 0.458

Мо 0,5 0,086 0,046 0.071

Ре 15.0 4.711 1.450 3,583

Тп 10,0 2.981 0,384 2,318

Витамины, мг

Тиамин (В,) 1,5 0,450 0,203 0,340

Рибофлавин (В.) 2,0 0.170 0,090 0,125

Пиридоксин (В,,) 2,0 0,450 0,080 0.280

Ниаиин(РР) 15.0 3,350 3,612 2,715

Витамин Е 10,0 4.680 0.821 3,665

Незаменимые аминокислоты, г

Триптофан 1,0 0,188 0,078 0,169

Лейцин 4,0 1.019 0.628 0,885

Изолейнин 3,0 0,551 0,339 0.473

Валим 4,0 0,713 0,369 0,497

Треонин 2,0 0,480 0.246 0,356

Лизин 3.0 0,514 0,204 0.380

Фенилаланин 2,0 0,757 0,388 0,593

Заменимые аминокислоты, г

Гистидин 2.0 0,322 0,157 0.209

Аргинин 6,0 0,747 0,312 0,474

Аспарагиновая кислота 6,0 0.901 0.269 0,553

Серии 3.0 0.657 0.395 0,440

Глютаминовая кислота 16,0 3,737 2,371 2.555

Пролин 5,0 1,349 0,748 0,885

Глицин 3.0 0.598 0.273 0,384

Алании 3,0 0,613 0,257 0.388

Тирозин 3,0 0,350 0.205 0,237

При производстве хлебобулочного изделия из зернового концентрата и муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта в соотношении 80:20 индекс конкурен-

тоспособности повышается на 8 % по сравнению с контрольным образцом. При производстве хлебобулочных изделий из зернового концентрата также наблюдается социальный эффект, заключающийся в обогащении незаменимыми факторами рационов питания населения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что основные технологические параметры (доза ферментного препарата и продолжительность гидролиза) влияют на степень дисперсности зерна при помоле. Установлено, что оптимальной дозировкой комплексного ферментного препарата на основе фитазы при замачивании зерна пшеницы и овса является 0,06 %, зерна тритикале - 0,07 % от массы сухих веществ зерна, оптимальная продолжительность замачивания — 6 часов. Для зерна ржи оптимальная дозировка препарата 0,09 %, ячменя 0,08 % от массы сухих веществ зерна, продолжительность гидролиза 8 часов.

2. Для зерна всех изучаемых злаковых культур в динамике влагонакопления и изменения содержания основных субстратов ферментативного гидролиза отмечены общие закономерности. Присутствием в комплексе ферментов целлобиогидролазы и ксиланазы обеспечивает наибольшее увеличение скорости поглощения влаги зерном и снижение продолжительности замачивания, уменьшение количества целлюлозы и гемицеллюлоз, рост содержания редуцирующих Сахаров в пересчете на глюкозу и наиболее глубокие изменения микрорельефа поверхности зерновки. Под действием комплекса ферментов целлобиогидролазы и ксиланазы концентрация целлюлозы в зерне пшеницы при оптимальных режимах гидролиза снизилась и составила 1,9 %. Снижение содержания целлюлозы в зерне ржи и тритикале произошло до 2,1 %, в зерне овса и ячменя - до 11,6 и 5,4 % соответственно.

3. Установлено, что после замачивания в растворе комплексного ферментного препарата на основе фитазы, происходит миграция минеральных веществ в пределах зерновки. Снижается количество изучаемых элементов в алейроновом слое и значительно возрастает в эндосперме. Полученные экспериментальные данные подтверждают, что в процессе гидролиза фитина фитазой грибного происхождения распадаются комплексы, образованные фитином с минеральными элементами: кальцием, магнием, железом, медью и цинком. Следовательно, доступность этих соединений возрастает.

4. Научно обоснованы технологические решения по созданию зернового концентрата с применением комплексного ферментного препарата на основе фитазы. По сумме пищевых волокон зерновой концентрат превосходит муку пшеничную высшего сорта на 49,6 %, по содержанию белка на 18 %. Показано, что сушка зерна злаковых культур после обработки ферментным препаратом при температуре 50-60 °С в течение 120-180 минут, во время которой зерно достигает влажности 12,0-13,2 %, не оказывает существенного влияния на содержание фракций прола-минов и глютелинов.

5. Разработана технология зернового хлебобулочного изделия с применением зернового концентрата и муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта в соотношении 80:20,позволяющая получить хлеб, имеющий физико-химические показате-

ли, сходные с контрольным образцом, выработанным по ГОСТ 25832 (пористость 60 % и удельный объем 1,95 см3/г, срок сохранения свежести хлебобулочных изделий 20 ч).

6. Установлено, что в опытном образце содержание основных питательных веществ выше, чем в контрольном варианте. Так содержание пищевых волокон в хлебе зерновом на основе зернового концентрата превышает их количество в контроле в 4,4 раза, в то время как общее содержание углеводов снижается наЮ %. В хлебобулочном изделии «Румяный колобок» суммарное количество макроэлементов увеличилось на 60 %, микроэлементов - на 57 %, витаминов - на 25 %, аминокислот - на18,7 %, а энергетическая ценность снизилась на 6,7 %. Показано, что разработанные изделия по показателям безопасности соответствуют требованиям СанПиН 2.3.2.1078.

7. Разработана и утверждена техническая документация на концентрат зерновой «Семейство злаковых» ТУ 9295-242-02069036-2013 и на изделие хлебобулочное «Румяный колобок» ТУ 9113-287-02069036-2013. Проведены промышленные испытания технологии зернового концентрата на ОАО «Наш продукт» и зернового хлебобулочного изделия на участке хлебопечения комбината общественного питания Госниверситета-УНПК.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Кузнецова Е.А., Пригарина О.М., Клепов P.E. Изучение динамики высвобождения фосфорной кислоты из зерновок пшеницы и ржи, используемых в качестве субстратов для действия ферментных препаратов на основе фитазы // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов, 2012. - №3. — С. 9-14.

2. Кузнецова Е.А., Черепнина JI.B., Клепов P.E., Синицын А.П., Синицына O.A. Влияние препарата на основе фитазы на изменение углеводно-амилазного и липидного комплексов зернового сырья // Хлебопродукты. - 2012. -№10. - С. 50-52.

3. Кузнецова Е.А., Черепнина Л.В., Клепов P.E., Зомитев В.Ю. Изучение влияния препарата на основе фитазы на изменение содержания тяжелых металлов в зерне пшеницы при замачивании // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2012. - №5 (16). - С.85-90.

4. Черепнина Л.В., Клепов P.E., Семьешкина Н.О. Современное состояние и перспективы развития рынка хлебобулочных изделий повышенной пищевой ценности //Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2012. -№6 (17). - С.77-82.

5. Кузнецова Е.А., Черепнина Л.В., Клепов P.E. Применение ферментного препарата на основе фитазы для повышения биологической ценности зерна злаковых культур // Хлебопродукты. - 2013. - №7. - С.49-51.

Публикации в сборниках материалов конференций

6. Кузнецова Е.А., Хмелева Е.В., Гончаров Ю.В., Черепнина Л.В., Клепов P.E. Совместное использование экстрактов растений и биокатализаторов на основе целлюлаз для повышения безопасности зерна пшеницы при производстве зерновых хлебобулочных изделий // Экология и безопасность в техносфере: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Орел, 2011. -С. 132-133.

7. Кузнецова Е.А., Алехина Ю.И., Парамонов И.Н., Борисов О.М., Клепов P.E. Элементная характеристика зернового сырья, произрастающего в Орловской области // Сборник статей 4 Международной Интернет-конференции «Стратегия развития индустрии гостеприимства и туризма» - Орел, 2011 -С. 537-538.

8. Кузнецова Е.А., Седов Ю.А., Алехина Ю.И., Клепов P.E., Парамонов И.Н. Роль комплексонов и препаратов на основе целлюлаз и фитазы в повышении безопасности зерна злаковых культур // «Технология и продукты здорового питания»: Материалы V Международной научно-практической конференции Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. - С. 90-92.

9. Кузнецова Е.А., Клепов P.E. Использование препарата Кормофит в процессе переработки зерна злаковых культур // Потребительский рынок: качество товаров и услуг: Материалы V Международной научно-практической конференции 89 декабря 2011. - Орел, 2011 - С. 56-57.

10. Кузнецова Е.А., Черепнина Л.В., Клепов P.E.Исследование влияние компонентов комплекса ферментного препарата на основе фитазы на процесс гидролиза фитина зерна пшеницы // Биология - наука XXI века: Материалы Международной конференции. - Москва, 2012. — С. 450-452.

11. Кузнецова Е.А., Черепнина Л.В., Парамонов И.Н., Клепов P.E. Применение ферментного препарата на основе фитазы для обработки зернового сырья // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» г. Улан-Удэ - оз. Байкал, 18-22 сентября 2012 г. - С. 231-235.

12. Кузнецова Е.А., Черепнина Л.В., Гончаров Ю.В., Клепов P.E., Филина М. А. Роль экзогенной фитазы в процессе гидролиза фитина пшеничного зерна // Фундаментальные и прикладные аспекты создания биосферосовместимых систем: Материалы Международной научно-технической интернет-конференции. - Орел, 2012.-С. 265-266.

13. Клепов P.E., Черепнина Л.В., Кузнецова Е.А. Зерновой концентрат для использования в хлебопекарной отрасли // Материалы III Международной научно-практической интернет-конференции «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России». — Орел, 2013.

Подписано к печати 25.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1215

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» 302020. г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ

КОМПЛЕКС»

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗЕРНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ФЕРМЕНТИРОВАННОГО ЗЕРНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В

ХЛЕБОПЕЧЕНИИ

Специальность 05Л8.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., доцент Кузнецова Елена Анатольевна

Орел-2013

Содержание

Введение............................................................................... 4

Глава 1 Обзор литературы.......................................................... 11

1.1 Значение хлеба в потребительской корзине и пути

повышения его пищевой ценности............................................... 11

1.2 Питательная ценность и особенности химического

состава исследуемых хлебных злаков........................................... 14

1.3 Применение зерновых смесей в хлебопечении............................

1.4 Целлюлолитические ферменты, фитаза и их субстраты................ 22

Глава 2 Объекты и методы исследования....................................... 29

2.1 Объекты и схема экспериментальных исследований.................... 41

2.2 Методы исследования.......................................................... 41

Глава 3 Теоретическое и экспериментальное обоснование использования комплексного ферментного препарата на

основе фитазы при производстве зернового концентрата................... 48

3.1 Изучение показателей качества и химического состава

зерна используемого для разработки зернового концентрата.............. 49

3.2. Исследование влияния основных параметров ферментативного гидролиза зернового сырья при использовании комплексного ферментного препарата

на основе фитазы на дисперсность отрубных частиц........................ 54

3.3. Исследование роли ферментов, входящих в состав комплексного препарата на основе фитазы, в изменении некоторых биохимических показатели качества зерна

злаковых культур.................................................................... 66

3.3.1. Определение влияния ферментов целлюлазного комплекса на динамику изменения влажности в зерне

в процессе замачивания............................................................. 66

3.3.2.Изменение некоторых биохимических показателей

субстратов под действием ферментов

целлюлазного комплекса........................................................... 70

3.3.3.Изменение состояния углеводно-амилазного комплекса зерна хлебных злаков под действием

ферментов целлюлазного комплекса............................................. 80

3.3.4. Исследование влияния ферментов целлюлазного

комплекса на скорость процесса гидролиза фитина.......................... 85

3.3.5 Влияние комплексного ферментного препарата на основе фитазы на распределение минеральных элементов

по анатомическим частям зерновки хлебных злаков......................... 92

3.3.6 Изучение изменения количества микрофлоры на поверхности зерна после замачивания в растворе

ферментного препарата на основе фитазы...................................... 95

Глава 4 Разработка технологии зернового концентрата и зерновых хлебобулочных изделий на его основе........................... 99

4.1 Разработка технологии приготовления зернового концентрата и изучение его химического состава и

технологических свойств........................................................... 99

4.2 Разработка технологии хлебобулочных изделий с

использованием зернового концентрата........................................ 108

4.3 Изучение качества хлебобулочных изделий с

использованием зернового концентрата........................................ 115

4.4 Определение ароматических веществ в хлебобулочных

изделиях............................................................................... 123

4.5 Расчет цены зернового концентрата и хлебобулочного

изделия................................................................................. 124

Основные результаты и выводы................................................... 134

Список использованных источников............................................ 137

Приложения...........................................................................

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из основных направлений развития зерноперерабатывающей отрасли является поиск новых видов сырья и способов его переработки. Исследования, направленные на использование ценных в пищевом отношении злаковых культур (ячменя, овса, тритикале), позволят расширить ассортимент вырабатываемой продукции с функциональными свойствами. Диетологи рекомендуют изготовлять хлеб не только из муки высших сортов, но и из муки с максимально сохранёнными периферическими слоями зерна. Это требование продиктовано необходимостью сохранения в муке и хлебе пищевых волокон и других биологически активных соединений (белков, витаминов, минеральных веществ), содержащихся в периферических зонах зерновки в большом количестве. Зерновые концентраты, представляющие собой композиционные зерновые смеси с повышенной пищевой ценностью возможно использовать как в качестве готовых смесей для приготовления зерновых хлебобулочных изделий, так и как обогащающий компонент (полуфабрикат) для подсортировки к традиционной пшеничной муке, дробленым и тонкозерновым крупам. Рост производства и расширение ассортимента зернового хлеба свидетельствует об актуальности и перспективности развития этого направления.

Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы» по теме ¡«Исследование взаимосвязи гидролиза фитина семян злаковых культур с повышением биодоступности минеральных веществ» Соглашение 14.ВЗ 7.21.1922 в 2012-2013 г.г..

Степень разработанности темы исследования. Обоснованию основных принципов и подходов к разработке новых технологий качественных и безопасных зерновых хлебобулочных изделий с использованием ферментных препаратов целлюлолитического действия

посвящены работы Поландовой Р.Д., Матвеевой И.В., Корячкиной С .Я., Дерканосовой Н.М., Кузнецовой Е.А., Хмелевой Е.В., Пригариной О.М., Черепниной Л.В. и других.

Фермент фитаза традиционно применяется в пищевых технологиях в составе комплексного ферментного препарата целлюлолитического действия. Рядом ученых, работающих в области производства комбикормов, установлено, что применение фитазы ускоряет рост, улучшает костную минерализацию, усвоение белков и аминокислот в организме животных [Кузнецов А., Синицын А.П., Теняев А., Горнеев A., Juin H, Rutherfurd S.M., Jamroz D]. Применение комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии зернового хлеба исследователи рассматривали только с точки зрения повышения качества готовых изделий и снижения содержания тяжелых металлов в них. В научно-технической литературе отсутствуют обоснованные подходы к проблеме повышения пищевой ценности зернового сырья и продуктов его переработки за счет повышения доступности фосфора и других биологически активных соединений, а также сведения о влиянии отдельных ферментов комплекса препарата на изменение биохимических характеристик субстратов. Получение этих сведений позволит корректировать состав ферментных комплексов препаратов в зависимости от цели их использования.

Цель работы - разработка технологии зернового концентрата повышенной пищевой ценности с применением ферментного препарата на основе фитазы для использования в хлебопечении.

Для достижения цели в ходе исследования были поставлены задачи:

1. обоснование рациональных доз ферментного препарата на основе фитазы и параметров ферментативного гидролиза зерна различных злаковых культур в технологии получения зернового концентрата;

2. изучение изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в

процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных ферментов комплекса препарата на основе фитазы;

3. исследование распределения минеральных элементов в зерновке пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;

4. разработка технологии приготовления зернового концентрата;

5. разработка технологии хлебобулочных изделий с использованием зернового концентрата, определение показателей качества;

6. определение показателей пищевой ценности и безопасности, разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на его основе;

7. определение экономической эффективности разработанных зерновых хлебобулочных изделий, разработка технической документации на зерновой концентрат и новый вид хлебобулочного изделия и их опытно-промышленная апробация.

Научная новизна. Диссертация содержит элементы научной новизны в рамках пункта 8 паспорта специальности 05.18.01.

Обоснованы параметры ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов оболочек зерна под действием биокатализаторов на основе целлюлаз, входящих в состав комплексного ферментного препарата на основе фитазы (оптимальные дозы ферментных препаратов, продолжительность замачивания) с точки зрения повышения степени дисперсности композитной зерновой смеси для использования в технологии хлебобулочного изделия.

Экспериментально установлено, что комплекс ферментов целлобиогидролазы и ксиланазы обеспечивает наибольшее увеличение скорости поглощения влаги зерном злаковых культур и степени гидролиза субстратов.

Расширены представления об изменении анатомии, морфологии и микроструктуры поверхности зерна пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя

в условиях ферментативного гидролиза под действием индивидуальных ферментов целлюлазного комплекса целлобиогидролазы, (3-глюканазы, ксиланазы и их сочетаний целлобиогидролаза+Р-глюканаза ицеллобиогидролаза+ксиланаза.

Получены новые данные о распределении биогенных минеральных элементов по анатомическим частям зерновки после обработки зерна хлебных злаков комплексным ферментным препаратом на основе фитазы.

Теоретическая и практическая значимость. Разработана и научно обоснована технология производства зернового концентрата из целого зерна хлебных злаков (пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя), основанная на обработке целого нешелушенного зерна комплексным ферментным препаратом, содержащим карбогидразы и фитазу, позволяющая повысить доступность фосфора и биогенных минеральных соединений. Разработана технология хлебобулочного изделия из зернового концентрата, позволяющая получить хлеб повышенной пищевой ценности с органолептическими и физико-химическими показателями качества не ниже, чем у зернового хлеба, выработанного по ГОСТ 25832-89.

Разработана и утверждена техническая документация на концентрат зерновой «Семейство злаковых» ТУ 9295-242-02069036-2013 и на изделие хлебобулочное «Румяный колобок» ТУ 9113-287-02069036-2013 (приложение А). Проведена промышленная апробация разработанных зернового концентрата и хлебобулочного изделия на ООО «Наш продукт» и участке хлебопечения комбината общественного питания Госуниверситета-УНПК (приложение Б).

Получена приоритетная справка на патент РФ № 2013143452 от 25.09.13 «Способ изготовления концентрата зернового» (приложение В), в котором сформулированы предложенные технологические приемы.

Разработанные автором научные положения и практические решения нашли применение при организации научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, результаты исследований используются в учебном

процессе на кафедре «Химия и биотехнология» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» при изучении дисциплин «Пищевая биотехнология», «Основы биотехнологии», «Ферменты: структура, свойства и применение», «Пищевая химия».

Методология и методы исследования. Объектами исследования являлось зерно пшеницы (ГОСТР 52554), ржи (ГОСТР53049), тритикале (ГОСТР53899), овса (ГОСТР28673), ячменя (ГОСТР28672), комплексный ферментный препарат на основе фитазы F 4.2В продуцент Pénicillium canescens, в состав которого входят целлобиогидролаза, [3-глюканаза, ксиланаза и фитаза (фитазная активность 12008 ед/г, ксиланазная - 803 ед/г), лабораторные образцы ферментных препаратов, полученные на основе грибной культуры Pénicillium canescens, которые представляют собой индивидуальные ферменты: целлобиогидролазу, ксиланазу, (3-глюканазу, а также комплексы целлобиогидролаза+Р-глюканаза,

целлобиогидролаза+ксиланаза (лаборатория физико-химической

биотрансформации полимеров химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова), зерновой концентрат, полуфабрикаты и хлебобулочные изделия на основе целого зерна, в технологии которых использовали биокатализаторы. Предметом исследования были химический и микробиологический состав зерна, биохимические, анатомические и морфологические свойства зерна и зернового концентрата, органолептические, физико-химические и реологические свойства полуфабрикатов и зерновых хлебобулочных изделий.

В работе использованы стандартные и общепринятые методы оценки состава и свойств зерна, полуфабриката и готовых зерновых хлебобулочных изделий: физико-химические, реологические, микроскопические, биохимические. Микроструктурные исследования проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа Jeol JSM 6390, содержание витаминов - методом ВЭЖХ на приборе «Милихром УФ-5».

Реологические свойства теста исследовали на капиллярном вискозиметре. Органолептическую оценку хлеба проводили в соответствии со шкалой балльной оценки предложенной во МГУПП. Аминокислотный состав белка в исследуемых образцах определяли на аминокислотном анализаторе Chromaspek (США).

Работа выполнялась в лабораториях кафедр «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» и «Химия и биотехнология», в испытательной лаборатории и в Орловском региональном центре коллективного пользования контрольно-измерительным оборудованием ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», а также в лаборатории агроэкологии ГНУ ВНИИСПК (г. Орел).

Обработку экспериментальных данных проводили на основе методов математической статистики с применением программного обеспечения Statistika 6.0 и Microsoft Excel. На рисунке 1 представлена структурная схема исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- оптимальные режимы ферментативного гидролиза и рациональные дозы комплексного ферментного препарата на основе фитазы в технологии получения зернового концентрата;

- результаты экспериментальных исследований изменения некоторых биохимических показателей субстратов, микроструктуры поверхности зерна и его анатомических частей в процессе ферментативного гидролиза под действием отдельных карбогидраз;

экспериментальные данные по распределению биогенных минеральных элементов в анатомических частях зерновки пшеницы, ржи, тритикале, овса и ячменя под действием комплексного ферментного препарата на основе фитазы;

- научно-обоснованные технологические решения по созданию зернового концентрата на основе применения фитазосодержащего

комплексного ферментного препарата и хлебобулочного изделия с использованием зернового концентрата.

Степень достоверности результатов обеспечивается большим массивом экспериментальных данных, полученных и обработанных с применением стандартных, общепринятых и специальных методов; согласованностью результатов с известными представлениями о составе, структуре, свойствах зернового концентрата и зерновых хлебобулочных изделий; подтверждается актом промышленных испытаний, публикацией основных положений диссертации в рецензируемых печатных изданиях.

Глава 1 Обзор литературы

В обзоре научно-технической литературы рассмотрены вопросы повышения пищевой ценности хлеба, питательной ценности и особенностей химического состава, исследуемых зерновых хлебных злаков, применения зерновых композитных смесей в хлебопечении, рассмотрены субстраты для целлюлолитических ферментов и фитазы.

На основе анализа литературных источников обоснована целесообразность разработки зернового концентрата для использования в хлебопекарной отрасли.

1.1 Значение хлеба в потребительской корзине и пути повышения его пищевой ценности

В 1997 г. принят Федеральный закон «О прожиточном минимуме в Российской Федерации», в котором утверждён набор продовольствия в «потребительской корзине». Постановлением правительства РФ приняты «Методические рекомендации по определению потребительской корзины для основных социально-демографических групп населения в целом по РФ и в субъектах РФ», где первым основным принципом формирования минимального набора продуктов питания является «удовлетворение потребности социально - демографических групп населения, в пищевых веществах исходя из химического состава и энергетической ценности продуктов питания» [123].

Хлеб является продуктом всенародного и ежедневного потребления. По различным статистическим данным фактическое потребление хлебобулочных изделий на сегодняшний день колеблется от 150 до 300 г.

В науке и практике хлебопекарного производст