Influence of parameters of the carbohydrate-amylase complex and protein content in grain on the baking quality of Winter Rye

Full Text

Правильное питание – ключевой компонент здорового образа жизни, в качестве неотъемлемого атрибута которого можно рассматривать ежедневный прием ржаных и ржано-пшеничных продуктов с высоким содержанием клетчатки, минеральных веществ и витаминов. Озимая рожь продовольственного назначения занимает значимый сегмент современного рынка и расширение разнообразия хлебобулочных изделий с добавлением сеяной, обдирной и обойной муки из зерна ржи очень перспективно. Белки ржаной муки отличаются высоким содержанием незаменимых аминокислот, в том числе дефицитного лизина и по питательной ценности превосходят белки пшеничной муки, наличие биологически активных, ароматических веществ делают ржаные хлебобулочные изделия не только вкусными, но и полезными [1, 2]. Такая продукция пользуется широким спросом среди населения, поэтому необходимость в сортах ржи с высокими технологическими и хлебопекарными качествами зерна значительно повышается.

При оценке хлебопекарных достоинств ржаной муки наибольшее значение традиционно отводят углеводно-амилазному комплексу: состоянию крахмала, ферментативной активности зерна, пентозанам, особенно водорастворимой фракции, влияющей на структурно-механические свойства теста, а именно на вязкостные и реологические показатели. При тестоведении водорастворимые пентозаны связывают воду, набухают, взаимодействуют с водо- и солерастворимыми белками ржи, увеличивая тем самым водопоглотительную способность муки и образуя очень вязкие коллоидные растворы [3, 4].

На состояние крахмала ржаной муки оказывает влияние высокая амилолитическая активность зерна, которая способствует большей «атакуемости» крахмальных зерен ферментами и быстрому расщеплению крахмала на декстрины, которые снижают качество мучных изделий, придавая липкость мякишу. Пентозаны, выполняющие роль клейковинного каркаса, при низкой ферментативной активности зерна способствуют повышению вязкости при тестообразовании, улучшению формоустойчивости теста, уменьшению влажности мякиша, а также заминаемости и липкости [5, 6]. Такие показатели как крупность зерна, доля водорастворимых пентозанов и хлебопекарные качества ржаной муки тесно взаимосвязаны – чем меньше масса 1000 зерен, тем больше содержание водорастворимых пентозанов в зерне и выше хлебопекарные достоинства [7].

Пентозаны, с одной стороны, играют положительную роль в хлебопечении, с другой – отрицательную в кормопроизводстве: высоковязкие пентозаны нарушают процессы пищеварения и усвоения питательных веществ в организме животных. Кроме того, их высокое содержание нежелательно при производстве этилового спирта, сахара, крахмала [8, 9, 10].

Цель исследований – оценка влияния параметров углеводно-амилазного комплекса и содержания белка в зерне озимой ржи на его хлебопекарные свойства для использования наиболее информативных показателей в селекции культуры на хлебопечение в условиях Среднего Поволжья.

Методика. Работу проводили в 2018–2022 гг. в Самарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства им. Н. М. Тулайкова (Самарская обл.). В качестве экспериментального материала были взяты образцы зерна 4 сортов (Саратовская 7, Безенчукская 87, Безенчукская 110, Антарес) и 3 перспективных линий (ГК-80, ГКНП-3, ГКНП-4) озимой ржи. Стандартом служил сорт Саратовская 7. Опыты закладывали на полях севооборота лаборатории селекции серых хлебов в питомниках конкурсного испытания. Предшественник – чистый пар, площадь учетной делянки – 20 м², повторность – четырехкратная, размещение – систематическое, агротехника общепринятая для зоны [11].

Почва опытного участка – чернозем обыкновенный, среднемощный, среднесуглинистый. Агрохимические показатели пахотного слоя почвы: содержание гумуса (по методу Тюрина в модификации ЦИНАО) – 4,2…4,5 %, легкогидролизуемого азота (по Тюрину и Кононовой) – 4,6…4,9 мг/100 г почвы, подвижного фосфора и калия (по Чирикову) – соответственно 22,8…25,0 мг/100 г и 18,7…20,0 мг/100 г почвы, рН солевой вытяжки – 6,5.

В 2018 и 2019 гг. условия осеннего периода были неблагоприятными для роста и развития озимой ржи. Вегетация проходила при повышенном температурном режиме и недостатке влаги (в 2018 г. температура воздуха была на 1,0…5,0 ⁰С выше среднемноголетней, осадков выпало 37…42 % от нормы; в 2019 г. – температура на 2,6…4,6 ⁰С выше среднемноголетней, сумма осадков на 13,7…15,5 мм меньше нормы). Условия перезимовки были благоприятными, в летний период наблюдали жаркую погоду: в 2018 г. – суховеи в течение 3 дней, в 2019 г. – атмосферная засуха в июне, высокая температура 37,7 ⁰С в июле. В 2020 и 2021 гг. осенний период и условия перезимовки в целом были удовлетворительными, но вегетация в 2020 г. сопровождалась значительными колебаниями температурного режима: от 8 ⁰С ниже среднемноголетней до суховеев в течение 4…6 дней в период налива и созревания зерна. В 2021 г. недостаток осадков в летний период и повышенный температурный режим (атмосферная засуха в июле и низкий гидротермический коэффициент 0,39) способствовали снижению продуктивности зерна. Вегетация в 2022 г. проходила при благоприятных условиях: достаточное количество осадков (135…176 % от нормы) и пониженный температурный режим (на 0,4…4,9 ⁰С меньше среднемноголетних значений) способствовали росту и развитию растений, но наблюдали интенсивное полегание.

Оценку качества зерна проводили в соответствии с методиками национальных стандартов Российской Федерации и методов ИСО: содержание белка в зерне – по ГОСТ 10846-91; вязкость водно-мучной суспензии (высота амилограммы, время клейстеризации, температура клейстеризации) – ГОСТ ISO 7973–2013 на амилографе Брабендера; «число падения» – по Хагбергу-Пертену (ГОСТ 30498-97); содержание пентозанов в зерне – орцинол-хлоридным методом в модификации Hashimoto S. [12]; массу 1000 зёрен – по ГОСТ 10842-76. Пробные лабораторные выпечки осуществляли безопарным методом по методике государственного сортоиспытания. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием дисперсионного и корреляционного анализа по Б. А. Доспехову [13].

Результаты и обсуждение. Программы селекционных исследований, направленные на создание сортов озимой ржи с улучшенными хлебопекарными свойствами, предусматривают изучение большого комплекса биохимических, технологических и хлебопекарных показателей, величины которых зависят от генотипа, погодных условий, зоны выращивания [14]. В наших экспериментах содержание белка, водорастворимых пентозанов, масса 1000 зерен, время клейстеризации, температура клейстеризации, объем хлеба и хлебопекарная оценка демонстрировали слабую изменчивость под влиянием фенотипических факторов С_Vf = 2,5…10,9 % (табл. 1). Параметры, отвечающие за стабильность углеводно-амилазного комплекса, а именно «число падения» и вязкость водно-мучной суспензии, под воздействием аналогичных факторов варьировали более значительно С_Vf = 30,3 и 28,9 % соответственно. Сорта озимой ржи с высокой изменчивостью показателей качества в различных условиях произрастания менее экологически стабильны и пластичны, поэтому требуются новые подходы к ведению селекции по этим признакам.

Известно, что хорошо растворимые и набухающие в воде компоненты (белки, крахмал, пентозаны) оказывают основное влияние на улучшение хлебопекарных свойств озимой ржи. По многолетним данным содержание белка в зерне изучаемых сортов озимой ржи в зависимости от сорта и внешних условий варьировало от 10,1 % до 14,5 % [15], а за 2018–2022 гг. – от 11,7 до 12,8 % (см. табл. 1). Максимальная величина этого показателя в среднем за время проведения исследований отмечена в зерне линий ГКНП-3 и ГКНП-4 – 12,8 %, у которых белковость зерна превышала средние значения по выборке независимо от метеоусловий. Наибольшее содержание белка в зерне озимой ржи зафиксировано в 2018 г. (Безенчукская 110–14,5 %) и 2019 г. (Безенчукская 110 и линия ГК-80–13,9 %). Этому способствовали погодные условия вегетационных периодов, которые вызвали сокращение продолжительности фаз налива и созревания зерна на 6…7 дней, по сравнению со среднемноголетними значениями.

 

Табл. 1. Биохимические и технологические показатели качества зерна сортов озимой ржи (среднее за 2018–2022 гг.)

Параметр	Саратовская 7	Безенчукская 87	Безенчукская 110	Антарес	ГК-80	ГКНП-3	ГКНП-4	НСР05	СVf*
Содержание, %: белка	11,7	12,0	12,6	12,0	12,2	12,8	12,8	0,8	7,5
водорастворимых пентозанов	2,46	2,51	2,96	2,80	2,92	2,74	3,00	0,21	6,9
Масса 1000 зерен, г	31,4	33,4	33,2	31,7	32,5	29,6	30,3	1,6	10,9
Высота амилограммы, е.а.	462	478	494	566	570	424	510	29	28,9
Время клейстеризации, мин	17,7	18,6	19,8	21,6	22,9	21,0	21,0	2,3	3,9
Температура клейстеризации, 0С	51,7	53,0	54,7	57,3	59,3	56,5	56,8	-	5,1
Число падения, с	188	201	241	251	244	198	255	39	30,3
Объемный выход хлеба, см³	457	492	472	500	504	482	495	17	9,2
Общая хлебопекарная оценка, балл	4,1	4,2	4,0	4,1	4,3	4,0	4,2	-	2,5

*коэффициент вариации.

 

Большая часть ржаных белков водорастворима. В условиях обычного тестоведения они не образуют клейковину, а слизи мешают слипанию клейковинных белков в единый комплекс [1]. При этом белки интенсивно набухают и пептизируются, что в сочетании с их высокой гидратацией и образованием вязких каллоидов (гидратация белков ржи, выше, чем у пшеничных и ячменных в 2…3 раза) способствует формированию прочного упругого каркаса теста и улучшению хлебопекарных качеств. Содержание белка положительно достоверно коррелировало с объемным выходом хлеба (r = 0,80…0,75 при p < 0,05) только в 2018 и 2019 гг., когда была отмечена и положительная связь (r = 0,88 при p < 0,01; r = 0,79 при p < 0,05) между объемным выходом хлеба и хлебопекарной оценкой (табл. 2). Отрицательную корреляционную зависимость между содержанием белка и высотой амилограммы наблюдали в 2019 г. – r = -0,80 (при p < 0,05), 2020 г. – r = -0,80 (при p < 0,05), 2021 г. – r = -0,82 (при p < 0,05) и 2022 г. – r = –0,78 (при p < 0,01). Кроме того, в 2019, 2020 в 2022 гг. отмечена отрицательная связь между содержанием белка и «числом падения» (r =-0,84; r = -0,80; r = -0,67 соответственно при p < 0,05).

При оценке хлебопекарных достоинств ржи основная роль отводится углеводно-амилазному комплексу: состоянию крахмала, степени поврежденности крахмальных зерен, амилолитической активности зерна, в совокупности все эти факторы оказывают значимое влияние на реологические свойства ржаного теста [4, 6]. Результаты наших исследований свидетельствуют о высоком уровне устойчивости зерна к прорастанию: в среднем величина показателя число падения составляла 188…255 с, максимальная вязкость на амилографе (высота амилограммы) – 424…570 е.ам., что свидетельствует о низкой ферментативной активности. Наибольшие величины этих показателей отмечены у сорта Антарес, линий ГК-80 и ГКНП-4, у которых число падения было выше, чем у стандарта Саратовская 7, на 56…67 с, высоте амилограммы – на 48…108 е.ам.

Летний период вегетации в 2020 и 2021 гг. был неблагоприятным для роста и развития культуры, что отразилось на ее зерновой продуктивности. Но в эти годы изучаемые сорта сформировали зерно с максимально высокими в опыте показателями амилографической вязкости (590…870 е.ам.) и числа падения (252…360 с), что можно объяснить очень низкой амилолитической активностью зерна, хлебопекарная оценка подтвердила такие результаты (мякиш хлеба сухой и растрескивающийся). Муку сортов озимой ржи с крепким крахмалом (с вязкостью более 650 е.ам. и числом падения выше 300 с) необходимо использовать в смеси со слабой мукой в качестве улучшателя, чтобы сохранить образовавшийся остов хлеба и одновременно обеспечить растяжение теста под действием пузырьков газа.

Для хлебопекарных свойств ржи характерна определенная специфичность, а именно структура ржаного хлеба при выпечке поддерживается вязкостью большого количества растворенных слизистых веществ. При хлебопечении чрезвычайно важны вязкостные свойства ржаного теста, но его реологические характеристики должны находиться в оптимальных пределах: амилографическая вязкость – 350…650 е.ам., число падения – более 200 с (рожь 1 класса, группа А) [16]. В зерне урожая 2019, 2020 и 2022 гг. выявлена тесная положительная корреляционная зависимость между признаками высота аммилограммы и число падения (r = 0,89…0,95 при p < 0,01). В 2020 и 2021 гг. отмечена положительная корреляция между высотой амилограммы и объемным выходом хлеба (r = 0,82…0,86 при p < 0,05), числом падения и объемным выходом хлеба (r = 0,65…0,76 при p<0,05).

В технологии приготовления ржаного теста особое положение занимают водорастворимые пентозаны, которые при относительно низком содержании обеспечивают образование высоковязких водных растворов, влияющих на структурно-механические и реологические показатели теста [4, 8]. В среднем за 2018–2022 гг. их содержание в зерне изучаемых образцов ржи варьировало в пределах от 2,46 до 3,00 %. Наибольшие величины этого показателя отмечали у сорта Безенчукская 110 (2,96 %) и линии ГКНП-4 (3,00 %). За годы исследований самыми высокими они были в 2019 г. – 2,70…3,55 % (больше, чем в другие годы, на 0,25…0,93 %), при этом максимальное содержание водорастворимых пентозанов наблюдали так же у сорта Безенчукская 110 и линии ГКНП-4–3,30…3,55 %.

По результатам пробных лабораторных выпечек наибольший объемный выход хлеба изучаемых сортов озимой ржи отмечали в 2019 г. – 520…655 см³, что на 80…185 см³ выше, чем в другие годы, и только в этом году установлена достоверная положительная связь между содержанием водорастворимых пентозанов и объемным выходом хлеба (r = 0,72 при p < 0,05). Можно предположить, что эти признаки коррелируют положительно только в те годы, когда содержание водорастворимых пентозанов в зерне выше средних значений. Кроме того, содержание водорастворимых пентозанов в 2019, 2020 и 2022 гг. положительно коррелировал с числом падения, которое так же характеризует хлебопекарные достоинства озимой ржи (r = 0,70…0,80 при p < 0,05).

 

Табл. 2. Значимые коэффициенты корреляции между биохимическими и технологическими показателями качества зерна озимой ржи

Показатель качества	Содержание, %		Масса 1000 зерен, г	Высота амилограммы, е.а.	Клейстеризация		Число падения, с	Объемный выход хлеба, см³	Общая хлебопекарная оценка, балл
	белка	водорастворимых пентозанов			время, мин	температура, 0С
2018 г.
Масса 1000 зерен, г	-	-0,86*	-	-	-	-	-	-	-
Температура клейстеризации, 0С	-	-	-	-	-	0,90**	-	-	-
Объемный выход хлеба, см³	0,80*	-	-0,83*	-	-	-	0,68*	-	0,88**
2019 г.
Высота амилограммы, е.а.	-0,80*	-	-	-	-	-	0,95**	-	-
Число падения, с	-0,84*	0,80*	-	-	-	0,80**	-	-	-
Температура клейстеризации, 0С	-	-	0,75**	-	0,95**	-	-	-	-
Объемный выход хлеба, см³	0,75*	0,72*	-	-	-	-	-	-	0,79*
2020 г.
Содержание белка, %	-	-	-0,65*	-	-	-	-	-	-
Высота амилограммы, е.а.	-0,80*	-	-	-	-	-	-	0,75*	0,72*
Число падения, с	-0,80*	0,78*	-	0,89**	-	0,87*	-	-	-
Температура клейстеризации, 0С	-	-	-	-	0,95**	-	-	-	-
Объемный выход хлеба, см³	-	-	-	0,86*	-	-	0,65*	-	-
2021 г.
Масса 1000 зерен	-	-0,79*	-	-	-	-	-	-	-
Высота амилограммы, е.а.	-0,82*	-	-	-	-	0,92*	0,75*	-	0,62*
Температура клейстеризации, 0С	-	-	-	-	0,90**	-	-	-	-
Объемный выход хлеба, см³	-	-	-	0,82*	-	-	0,76*	-	-
2022 г.
Высота амилограммы, е.а.	-0,78**	0,76*	-	-	-	0,79*	-	-	-
Время клейстеризации, мин	-	-	-	0,86*	-	-	-	-	-
Число падения, с	-0,67*	0,70*	-	0,92**	0,96**	0,95**	-	-	-

*корреляция значима на уровне p < 0,05; ** – p < 0,01.

 

Между содержанием водорастворимых пентозанов и массой 1000 зерен существует достоверная обратная корреляция [7]. Результаты наших исследований свидетельствуют, что в отдельные годы между величинами этих показателей существовала тесная отрицательная зависимость (в 2018 г. r= -0,86 при p < 0,05; в 2021 г. r = –0,79 при p < 0,05), в другие такая связь отсутствовала. Учитывая коэффициенты корреляции, в нашем случае, невозможно объяснить повышение массы водорастворимых пентозанов только уменьшением размера зерна, возможно, существуют другие факторы, которые влияют на такую зависимость, что требует полного анализа и оценки состояния всех параметров качества.

Низкая активность альфа-амилазы в зерне положительно влияла на реологические свойства теста и процесс тестоведения. Результаты анализа данных по качеству хлеба свидетельствуют, что наибольшим объёмным выходом хлеба отличались сорт Антарес, линии ГК-80 и ГКНП-4–495…504 см³ (на 19 см³ выше среднегруппового величины). При этом высота амилограммы в образцах муки составляла 510…570 е. ам., число падения – 244…251 с. Форма выпеченных хлебцев была полуовальной, поверхность – гладкой, мякиш характеризовался сравнительно мелкой равномерной пористостью, не заминался, вкус – кисловатый, соответствующий ржаному хлебу. Наименьший объем хлеба 457 см³ отмечен у сорта озимой ржи Саратовская 7 (стандарт), что на 38…47 см³ меньше, чем у остальных исследуемых образцов.

При оценке хлебопекарных достоинств сортов озимой ржи необходимо учитывать такой фактор, как крупность и целостность крахмальных зерен [16], поскольку мелкие и поврежденные зерна легче поддаются действию амилолитических ферментов, это ведет к снижению вязкости и увеличению содержания сахаров при приготовлении теста, что в свою очередь уменьшает объем хлеба и качество мякиша. В 2018 и в 2019 гг. отмечена положительная связь между общей хлебопекарной оценкой и объемным выходом хлеба (r = 0,79 при p < 0,05; r = 0,88 при p < 0,01 соответственно). В 2020 и 2021 гг. хлебопекарная оценка достоверно положительно коррелировала с амилографической вязкостью (r = 0,62…0,72 при p < 0,05).

Важными критериями активности амилаз при оценке состояния крахмала считают температуру и время клейстеризации крахмала [17, 18]. За годы исследований наиболее высокие величины этих показателей наблюдали у сорта Антарес, линий ГК-80 и ГКНП-4. Максимальную в исследуемой выборке температуру (59,3 ⁰С) и время клейстеризации (22,9 мин) отмечали у линии ГК-80, что выше, чем у других сортов, соответственно на 2,0…7,6 ⁰С и 1,9…5,2 мин. Высокая температура клейстеризации [1] необходима для сортов муки, содержащих крахмальные зерна из наружных слоев эндосперма, которые более устойчивы к «амилазной атаке».

Во все годы исследования установлена высокозначимая положительная корреляция между временем и температурой клейстеризации (r=0,90…0,96 при p < 0,01). Кроме того, в 2021 и 2022 гг. выявлены значимые положительные связи между температурой клейстеризации и высотой амилограммы (r = 0,92; r = 0,79 при p < 0,01), а в 2019, 2020 и 2022 гг. – с числом падения (r = 0,80, r = 0,87, r = 0,95 при p < 0,05).

Выводы. Результаты биохимических и технологических исследований показали высокий уровень устойчивости зерна изученных сортов озимой ржи к прорастанию. Величины основных параметров, определяющих состояние крахмала, которое влияет на реологические свойства ржаного теста и хлебопекарную оценку, находились на следующем уровне: число падения – 188…255 с, максимальная вязкость на амилографе – 424…570 е.ам. Наилучшие величины этих показателей и качество хлеба (наибольший объёмный выход 495…504 см³) отмечены у сорта Антарес, линий ГК-80 и ГКНП-4. В 2019, 2020 и в 2022 гг. установлена тесная положительная корреляция между признаками высота аммилограммы и число падения (r = 0,89…0,95 при p < 0,01). В 2020 и 2021 гг. отмечена тесная положительная связь между высотой амилограммы и объемным выходом хлеба (r = 0,82…0,86 при p < 0,05), а также числом падения и объемным выходом хлеба (r = 0,65…0,76 при p < 0,05).

Содержание водорастворимых пентозанов в среднем за годы исследований варьировало от 2,46 до 3,00 %. Наибольшие величины этого показателя (2,70…3,55 %) наблюдали в 2019 г., когда был отмечен и самый высокий объем хлеба (520…655 см³). Одновременно только в этом году установлена достоверная положительная связь между содержанием водорастворимых пентозанов и объемным выходом хлеба (r = 0,72 при p < 0,05). В 2019, 2020 и 2022 гг. отмечена значимая положительная взаимосвязь между содержанием пентозанов и числом падения, которое так же характеризует хлебопекарные достоинства озимой ржи (r = 0,70…0,80 при p < 0,05).

Содержание белка положительно значимо коррелировало с объемным выходом хлеба только в 2018 и 2019 гг. – r = 0,80 и 0,75 соответственно. Во все годы исследования установлена отрицательная корреляционная зависимость между содержанием белка и высотой амилограммы (r = -0,82…-0,78), а в 2019, 2020 и 2022 гг. и с числом падения (r = -0,84; -0,80; и -0,67 соответственно).

При отборе сортов озимой ржи для использования зерна на хлебопекарные цели необходимо вести сопряженную селекцию по высоте амилограммы и числу падения при стабилизации белка на приемлемом уровне 12,0…12,8 %.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ.

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета института (учреждения, организации). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ.

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ.

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

E. N. Shabolkina

Tulajkov Samara Research Agricultural Institute, Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: samniish@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук

Russian Federation, 446254, Samarskaya obl., Bezenchukskii r-n, pos. Bezenchuk, ul. K. Marksa, 41

S. N. Shevchenko

Tulajkov Samara Research Agricultural Institute, Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: samniish@mail.ru

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАН

Russian Federation, 446254, Samarskaya obl., Bezenchukskii r-n, pos. Bezenchuk, ul. K. Marksa, 41

A. A. Bisharev

Tulajkov Samara Research Agricultural Institute, Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: samniish@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук

Russian Federation, 446254, Samarskaya obl., Bezenchukskii r-n, pos. Bezenchuk, ul. K. Marksa, 41

N. V. Anisimkina

Tulajkov Samara Research Agricultural Institute, Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: samniish@mail.ru
Russian Federation, 446254, Samarskaya obl., Bezenchukskii r-n, pos. Bezenchuk, ul. K. Marksa, 41

References

Supplementary files