MULTIFUNCTIONAL COMPOSITE WITH HIGH CONTENT OF DIETARY FIBER

Full Text

Известно, что во многих регионах России рацион питания жителей в той или иной мере дефицитен в отношении белка, полиненасыщенных жирных кислот (омега-3, омега-6), растворимых (пектин, камеди, слизи) и нерастворимых пищевых волокон (клетчатка, лигнин), витаминов (Е, группы В и др.), а также целого ряда минеральных веществ. Одним из эффективных и экономически обоснованных способов решения данной проблемы может быть разработка натуральных функциональных композитов, с помощью которых регулярно потребляемые в пищу продукты обогащались бы недостающими для нормального питания людей ингредиентами. В этом отношении заслуживает внимания опыт применения в качестве функциональной добавки к мучным кондитерским и хлебобулочным изделиям композитов, полученным путем экструдирования смеси растительного сырья с высоким содержанием крахмала, липидов, белка и пищевых волокон. В качестве примеров таких композитов можно назвать экструдаты смеси зерна пшеницы с семенами тыквы, расторопши, льна, кунжута и др. [1, 4]. Например, в тыквенных семенах с оболочкой относительно много белка, жира и клетчатки, при этом белок и незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты достаточно хорошо сбалансированы [8, 9]. В состав масла семян тыквы входит токоферол (витамин Е), играющий важную роль в тканевом дыхании клеток и обладающий выраженной антиоксидантной способностью. Оболочка семян тыквы является источником повышенного содержания микроэлементов и пищевых волокон по большей части своей нерастворимых. В измельченном виде она считается хорошим энтеросорбентом и наряду с адсорбционной способностью позволяет дополнительно ввести значимое для организма человека количество железа, калия, магния и меди [6]. В семенах тыквы (в том числе и в их оболочке) в большом количестве содержится весьма важный для иммунной системы человека микроэлемент - цинк. В серовато-зеленом слое, который в очищенных семенах тыквы, как правило, отсутствует, содержится достаточно редкая аминокислота - кукурбитин, благодаря которой семена тыквы обладают антигельминтными свойствами. Небольшое содержание крахмала и относительно высокое содержание липидов и клетчатки не позволяют получать экструдаты высокого качества при обработке семян тыквы с помощью серийного оборудования. К тому же экструдирование растительного сырья с высоким содержанием липидов в части его оптимальной влажности существенно отличается от обработки крахмалсодержащего сырья [1, 2, 10]. К особенностям обработки семян тыквы в экструдере можно отнести следующее: 1) Экструдаты семян тыквы с оболочкой содержат в среднем 14-16% жира. 2) Низкий коэффициент трения обрабатываемого материала о шнек машины не позволяет экструдировать семена тыквы при той влажности, которую они имеют сразу после извлечения из плода (тыквины). Поэтому после выделения семян из тыквы влажностью 34-36%, их следует высушить до содержания влаги 18-20%. При более высокой влажности семян их пластичные свойства не позволяют получить на выходе из фильеры матрицы необходимые для эффективной экструзии давление и температуру. В случае обработки пересушенных семян на выходе из фильеры выделяются излишки масла, плохо связанные с экструдатом, продукт расслаивается и из-за повышенного окисления плохо хранится в обычных условиях. 3) Температура экструзии больше 105-110°С способствует интенсификации окисления масла в готовом продукте, что заставляет досушивать его до содержания влаги 5-8% и хранить при пониженных температурах (4-0°С). 4) Экструдат имеет относительно низкую пористость при коэффициенте взрыва близком к 1. Устранить большинство перечисленных недостатков и получить функциональный композит высокого качества можно путем совместного экструдирования сырья с относительно высоким содержанием жирных кислот и пищевых волокон с крахмалсодержащим сырьем, например, зерном пшеницы. Такие экструдаты при содержании в них воды не больше 10-12 % сохраняет практически все полезные свойства сырья, из которого они выработаны и хорошо хранятся в обычных условиях [1, 4]. Цель исследований - обосновать основные технологические параметры и оценить степень их влияния на процесс получения полифункционального композита на основе смеси зерна пшеницы и семян тыквы. Задача исследований - определить рациональное значение факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество экструдата смеси зерна пшеницы и семян тыквы. При этом общие подходы к получению и оценке экструдатов в данной работе учитывали ранее проведенные авторами исследования [2, 6]. Материалы и методы исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с помощью одношнекового пресс-экструдера, дополнительно оснащенного оборудованием, позволяющим реализовать термовакуумное воздействие на выходящий из фильеры машины экструдат [3, 4, 5, 7]. В качестве объекта исследования была выбрана смесь неизмельченных зерен пшеницы и семян тыквы, которую экструдировали в течение 15-20 с при температуре 100-105°C с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,05 МПа. Частота вращения шнека пресс-экструдера составляла 7,5 с-1, диаметр фильеры матрицы экструдера - 4 мм. В исследованиях применялись семена тыквы сорта Зимняя сладкая, масса 100 семян - 42 г, соотношение ядра и оболочки 55:45. В качестве исследуемых были выбраны следующие факторы: содержание семян тыквы в экструдируемой смеси - (%), влажность семян тыквы - (%) и влажность зерна пшеницы - (%).За критерий качества полученного функционального композита был принят индекс расширения экструдатов (коэффициент взрыва) - В (безразмерная величина). При поиске оптимальных условий протекания процесса экструдирования и получения экстремума критерия качества в почти стационарной области, где поверхность отклика имеет значительную кривизну, целесообразно использовать модель в виде полинома второй степени. Программа эксперимента была реализована с помощью центрального композиционного униформ-ротатабельного планирования, состоящего из трех уровней: факторного плана типа 23, составляющего «ядро» центрального композиционного плана; звездных точек, на осях факторного пространства и дополняющих опытов в центре плана. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в таблице 1. Таблица 1 Матрица планирования и результаты эксперимента Система опытов № опыта Кодированные факторы Натуральные факторы Индекс расширения Х1 Х2 Х3 х1 х2 х3 Полный факторный эксперимент типа 23 1 -1 -1 -1 20,0 15,0 14,0 3,2 2 -1 -1 +1 20,0 15,0 22,0 2,8 3 -1 +1 -1 20,0 35,0 14,0 3,6 4 -1 +1 +1 20,0 35,0 22,0 2,6 5 +1 -1 -1 40,0 15,0 14,0 2,7 6 +1 -1 +1 40,0 15,0 22,0 1,9 7 +1 +1 -1 40,0 35,0 14,0 2,2 8 +1 +1 +1 40,0 35,0 22,0 1,0 Опыты в «звездных» точках 9 -1,68 0 0 13,2 25,0 18,0 3,8 10 +1,68 0 0 46,8 25,0 18,0 1,0 11 0 -1,68 0 30,0 8,2 18,0 1,8 12 0 +1,68 0 30,0 41,8 18,0 1,7 13 0 0 -1,68 30,0 15,0 11,3 2,4 14 0 0 +1,68 30,0 15,0 24,7 1,1 Опыты в центре плана 15 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,3 16 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,2 17 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,2 18 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,3 19 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,3 20 0 0 0 30,0 15,0 18,0 1,2 Модель второго порядка, описывающая зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси, влажности экструдируемых семян тыквы и пшеницы, имеет вид (1) Оценим статистическую надежность уравнения регрессии с помощью критерия Фишера, который проверяет нулевую гипотезу о статистической незначимости параметров построенного регрессионного уравнения и показателя тесноты связи. Фактическое значение F-критерия Фишера для полученного уравнения регрессии Fp = 14,238. Сравним его с табличным значением F-критерия (Fт) по заданным уровню значимости (α = 0,05) и числу степеней свободы (в пакете Statistica: сс модели = 9, сс остаток = 10) Fт = 3,02. Поскольку Fр>Fт, то нулевая гипотеза отвергается. Таким образом, признается статистическая значимость регрессионного уравнения и его параметров. Анализ полученного уравнения показывает, что на индекс расширения экструдата наибольшее влияние оказывают влажность зерна пшеницы (коэффициент регрессии 0,598), содержание семян тыквы в экструдируемой смеси (коэффициент регрессии 0,289) и влажность семян тыквы (коэффициент регрессии 0,034). Эффекты межфакторных взаимодействий имеют малое влияние на критерий качества. Наличие в модели квадратичных эффектов факторов показывает, что характер влияния этих факторов на отклик криволинейный (параболический). Из диаграммы Парето для коэффициента взрыва экструдата видно (рис. 1), что из основных компонент статистически значимыми оказались эффекты: - содержание семян тыквы в экструдируемой смеси и - влажность зерна пшеницы, остальные оказались слабо значимыми. Множественный коэффициент корреляции для модели R=0,96; коэффициент детерминации R2=0,92; статистическая значимость составляет p<0,0001. Полученная математическая модель адекватна опытным данным при доверительной вероятности 95%. Рис. 1. Диаграмма Парето для коэффициента взрыва экструдата (В) Для поиска экстремума функции регрессии и факторов, наиболее сильно влияющих на критерий оптимизации, воспользуемся геометрической интерпретацией оптимизируемой функции и изучим поверхность отклика в частных зависимостях. Для получения зависимостей поочередно подставляем в уравнение (1) каждый фактор на нулевом уровне. Зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси () и влажности экструдируемых семян тыквы () может быть представлена в виде: (2) Уравнение (2) было взято за основу при построении поверхности отклика (рис. 2), характеризующей зависимость коэффициента взрыва от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси - и влажности экструдируемых семян тыквы - (цифры показывают числовые значения коэффициента взрыва в отмеченных областях поверхности отклика). Рис. 2. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси - и влажности экструдируемых семян тыквы - Графический анализ полученной поверхности отклика показывает, что заметное влияние на коэффициент взрыва оказывает содержание семян тыквы в экструдируемой смеси - , причем оптимальные значения этого параметра находятся в диапазоне от 10 до 15%. Процент содержания влаги в экструдируемых семенах тыквы - с возрастанием плавно увеличивает коэффициент взрыва (B = 4,5-5,0) в оптимальном диапазоне 32-35%. Зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси () и влажности пшеницы () может быть представлена в виде уравнения: . (3) По полученнойзависимости (3) была построена поверхность отклика (рис. 3), анализ которой подтверждает ранее приведенные данные (рис. 2). Так, содержание семян тыквы в экструдируемой смеси - - совместно с - влажностью зерна пшеницы - оказывает сильное влияние на коэффициент взрыва (B = 4,0-4,5) в районе тех же 10-15%. При этом влажность пшеницы оптимальна в диапазоне 13-15%. Зависимость коэффициента взрыва (В) от влажности экструдируемых семян тыквы () и влажности пшеницы () можно представить в виде следующего уравнения: . (4) Рис. 3. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва (В) от содержания семян тыквы в экструдируемой смеси - и влажности пшеницы - По полученной зависимости (4) была построена поверхность отклика (рис. 4). Рис. 4. Поверхность отклика, характеризующая зависимость коэффициента взрыва (В) от влажности экструдируемых семян тыквы и влажности пшеницы - Экстремум коэффициента оптимизации находится в диапазоне 3,5-4,0 при рассмотрении факторов влажности экструдируемых семян тыквы - и влажности пшеницы - , причем из рисунка 4 видно, что оптимальная влажность семян тыквы будет 32-35%, а оптимальная влажность пшеницы 13-15%. Результаты экспериментальных исследований показывают весьма важную в практическом плане закономерность: при одинаковой влажности семян тыквы и пшеницы, и тем более при влажности пшеницы большей, чем влажность семян тыквы, процесс экструдирования смеси ухудшается. При этом в экструдате встречаются частицы необработанной пшеницы. Поэтому в дальнейшем было принято решение для получения экструдатов с повышенным содержанием липидов в качестве наполнителя использовать пшеницу с влажностью 13-15%, при влажности семян тыквы 32-35%. Такие параметры экструдируемого сырья позволяют получить приемлемое качество экструдата с высоким содержанием липидов (6,0-7,5%) при содержании в обрабатываемой смеси 20-25% семян тыквы. Коэффициент взрыва получаемого экструдата находится в пределах 3,4-3,6. Заключение. Результаты исследований показывают, что с уменьшением доли семян тыквы в смеси до 20-25% индекс расширения экструдата возрастает до 3,4-3,6. При этом данный критерий качества полученного функционального композита существенно зависит от соотношения влажности экструдируемых зерен пшеницы и семян тыквы, а также влажности экструдируемой смеси в целом. Для получения функционального композита из смеси зерна пшеницы и семян тыквы с приемлемым коэффициентом взрыва (3,0-3,2) в качестве наполнителя можно использовать пшеницу с влажностью 13-15% в количестве 75-80% к экструдируемой массе. При этом влажность обрабатываемых семян тыквы необходимо поддерживать в пределах 32-35% с тем, чтобы обеспечить влажность экструдируемой смеси в пределах 18-20%.

About the authors

P K Voronina

FSBEI HPE Penza STU

Email: worolina89@mail.ru
postgraduate student of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzena, 44 str

A A Kurochkin

FSBEI HPE Penza STU

Email: anatolii_kuro@mail.ru
dr. of techn. sciences, prof. of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzena, 44 str

G V Shaburova

FSBEI HPE Penza STU

Email: Shaburovs@mail.ru
cand. of techn. sciences, associate professor of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzena, 44 str

References

Supplementary files