Влияние микроволн на избранные функциональные свойства крахмалосодержащего сырья

Influence of microwave radiation on some functional properties of starch-containing materials

Anastasia Maslighina

master student, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Russia, Moscow

Natalia Khabibulina

PhD in Biotechnology, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Russia, Moscow

Alla Krasnoshtanova

Doctor of Chemistry, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Russia, Moscow

Аннотация. В статье рассмотрено влияние микроволнового излучения на функциональные свойства (вязкость, жироэмульгирование) пшеничного и горохового крахмалосодержащего сырья в зависимости от продолжительности обработки. Показано, что воздействие микро­волновым излучением положительно влияет на технологические свойства белково-крахмальных продуктов. Причем, для горохового сырья возможно использование меньшей продолжительности обработки для получения максимальной жироэмульгирующей способности и вязкости, в то время как при обработке пшеничного крахмального сырья оптимальные результаты достигаются при более длительном воздействии микроволн.

Abstract. This article describes the effect of microwave radiation on the functional properties (viscosity, emulsification) of wheat and pea starch-containing raw materials depending on the duration of processing. It is shown that exposure to microwave radiation has a positive effect on the technological properties of protein-starch products. Moreover, for pea raw materials it is reasonable to use a shorter processing time to obtain maximum fat emulsifying ability and viscosity, while when processing wheat starch raw materials, optimal results are achieved with a longer exposure to microwaves.

Ключевые слова: микроволны; вязкость; жироэмульгирование; крахмал; модификация

Keywords: microwaves; viscosity; emulsification; starch; modification

Крахмал является основным запасным полисахаридом зеленых растений и главным углеводом в питании человека [2, с. 188; 5, с. 45]. Чаще всего для его получения используются горох, пшеница, рис, кукуруза, рожь, ячмень.

Благодаря своим свойствам крахмал широко используется в качестве наполнителя в косметологической промышленности (дезодоранты, кондиционеры, лосьоны, косметические средства), в фармацевтической (таблетированные формы лекарственных препаратов, лекарственные капсулы), целлюлозно-бумажной и в пищевой промышленности [8].

Наличие крахмала в пищевом продукте положительно сказывается на его текстуре и консистенции, что делает продукт более привлекательным для потребителя. Его использование позволяет также значительно уменьшить синерезис, что способствует возможности более длительного хранения, улучшает водосвязывающую способность, повышает сочность, заменяет сахар; применяется в качестве загустителя, эмульгатора, гелеобразователя.

Но в большинстве случаев крахмал в нативном виде обладает рядом недостатков – низкий уровень рН, склонность к синерезису, низкая стабильность при хранении, перемешивании и температурном воздействии, образование при нагревании слабых, когезионных, эластичных паст и нежелательных гелей, когда пасты охлаждаются [3, 4, с. 56]. Именно поэтому, производители продуктов питания предпочитают крахмалы с улучшенной поведенческой характеристикой и подвергают их модификации – целенаправленно изменяют свойства, что позволяет улучшить их функциональные, органолептические и технологические качества [2, с. 190].

Модифицировать свойства крахмала можно химическим (кислотный гидролиз, окисление, сшивка, замещение), физическим (механические, обработка излучением, теплом, давлением) или ферментативным методом.

Ферментативная обработка крахмалов зачастую является длительным, сложным и дорогостоящим путем модификации [1, с.152]. Использование же химически модифицированных крахмалов в пищевых продуктах до сих пор вызывает сомнения в безопасном влиянии на здоровье человека. По мнению комитета экспертов, объединенных под эгидой таких организаций как ФАО (Продовольственная и сельско­хозяйственная организация при ООН) и ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения) крахмалы, модифицированные химическим путем, требуют дальнейших исследований, более полного изучения и не рекомендуются к использованию [6, с. 397].

Таким образом, изучение физических методов обработки крахмала особенно актуально и перспективно, так как эта технология получения модифицированного крахмала экологически безопасна [5, с. 45], исклю­чает высокие временные затраты, не требует внесения в сырье дополнительных химических веществ, а также нет необходимости в стадии сушки конечных продуктов после обработки, что значительно удешевляет процесс получения ингредиентов из крахмального сырья.

В связи с этим, целью исследования явилось изучение изменения функциональных свойств крахмалосодержащего сырья в зависимости от параметров микроволновой обработки и характеристик исходного сырья. Можно предположить, что функциональные свойства крахмалов изменяются под влиянием изменения строения белковых тел и крахмальных гранул нативного сырья.

В качестве объектов исследования были выбраны крахмало­содержащие продукты, выработанные из пшеницы (содержит 85% крахмала и 9% белка на сухой вес) и гороха (65% крахмала и 15% белка). Данные продукты являются продуктами «зеленого» безотходного способа разделения исходного сырья, пшеничной или гороховой муки, без воздействия химических агентов. В качестве способа обработки было выбрано физическое воздействие в виде микроволновых излучений, продолжительность воздействия которого варьировали от 2 до 6 мин. Таким образом, модифицированные продукты получены полностью без применения химических агентов, что согласуется с трендом «зеленых технологий».

Для анализа изменения функциональных свойств крахмало­содержащего сырья была изучена его жироэмульгирующая способность и вязкость до и после обработки излучением.

Для получения эмульсионной системы бралась навеска образца (эмульгатор), дистиллированная вода (дисперсионная среда) и подсолнечное масло (жир) в соотношении 1:5:5, соответственно. Для равномерного распределения частиц (перемешивания) использовали блендер. Затем оставляли пробы в холодильнике на 4 суток, после чего анализировали получившиеся эмульсии, включая количество стабильной эмульсии и отделившихся водной и масляной фаз. Критерием наибольшей эффективности эмульгирующей способности крахмало­содержащего сырья служила высота слоя эмульсии и отсутствие иных фаз в системе.

Из данных, представленных в таблице, видно, что у всех тести­руемых образцов эмульгирующая способность выше, чем у нативного образца крахмалсодержащего сырья. Причем, при продолжительности обработки 3 минуты для горохового крахмала и 4 минуты в случае пшеничного крахмала высота эмульсии достигает своего максимума и составляет 84 и 100%, соответственно. Увеличение эмульгирующей способности крахмалосодержащего сырья может являться следствием частичной желатинизации крахмала в сырье под действием микроволнового излучения, что косвенно оказывает влияние на вязкость образцов.

Таблица 1.

Жироэмульгирующая способность пшеничного и горохового крахмалосодержащего сырья в зависимости от продолжительности воздействия микроволн

У образцов белково-крахмальных продуктов, обработанных микро­волнами более 3-4 минут, высота слоя эмульсии снижается, способность к эмульгированию ухудшается, что, скорее всего, связано с избыточной деструкцией крахмала и превращением его в декстрины и молекулярной массой, не способствующей образованию устойчивых эмульсий.

Для пшеничного крахмалсодержащего сырья наблюдается увеличение стабильности эмульсии на 15%, в то время как для горохового – на 23%, что свидетельствует о более выраженном положительном влиянии микроволнового излучения на молекулярную структуру горохового образца.

Для проверки предположения об изменении вязкости обработанных микроволновым излучением образцов была проведена оценка данного параметра с использованием вискозиметра ВПЖ-2, для чего предвари­тельно готовили крахмальный клейстер изучаемого образца, а затем отмечали время истечения через капилляр объема жидкости из измери­тельного резервуара. Кинематическую вязкость определяли по формуле:

V= (g/9.807) T*K,

где    K - постоянная вискозиметра, мм²/с²;

V - кинематическая вязкость жидкости, мм²/с;

Т - время истечения жидкости, с;

g - ускорение свободного падения в месте измерений в м/с² [7].

Рисунок 1. Вязкость крахмалосодержащего сырья в зависимости от времени обработки микроволновым излучением

Как можно видеть из графиков на рисунке 1, значение вязкости сначала увеличивается, доходя до своего максимума при 2 минутах обработки в случае горохового крахмала и 4 минутах обработки в случае пшеничного, после чего при увеличении продолжительности обработки происходит ее снижение.

На основании этих данных можно заключить, что воздействие микроволнами на белково-крахмальные продукты оказывает влияние на вязкость их растворов, так как нарушается внутренняя структура крахмального зерна. Также на повышение вязкости системы может влиять денатурация белковой части крахмалосодержащего сырья.

Видно, что максимальное значение вязкости для обоих образцов соответствует диапазону проявления наибольшей эмульгирующей способности.

С дальнейшим увеличением времени обработки значение вязкости падает, что связано с уменьшением размеров молекул крахмальных поли­сахарадиов вследствие деструкции (частичного или полного разрушения крахмального зерна с одновременной деполимеризацей крахмальных полисахаридов).

Необходимо указать, что уменьшение вязкости при увеличении продолжительности обработки более выражено для пшеничного сырья в сравнении с гороховым. Вероятно, пшеничный крахмал является менее резистентным к физическому (микроволны) воздействию, поэтому при продолжительной обработке происходит заметная декстринизация крахмала с сопутствующим уменьшением вязкости. Гороховое крахмальное сырье даже при проведении длительной обработки не декстринизуется заметным образом, о чем свидетельствует менее значительное уменьшение вязкостных свойств.

На основании проведенных исследований можно сделать выводы:

1. Воздействие микроволнами на белково-крахмальные продукты способно изменять внутреннюю структуру биополимеров;
2. Модификация крахмалосодержащего сырья при помощи микроволн в определенных условиях оказывает положительное влияние на его функциональные свойства, такие как жироэмульгирование и вязкость;
3. Эмульгирующая способность крахмалов находится в прямой зависимости от вязкости: с увеличением вязкости жироэмульгирующая способность возрастает, а с понижением уменьшается;
4. Согласно полученным результатам, наилучшей эмульгирующей способностью и наивысшей вязкостью из исследованных объектов обладает пшеничное крахмалосодержащее сырье при микроволновой обработке в течение 4 минут.