Оценка реологических свойств заменителей пшеничной муки/альтернативных культур с помощью Mixolab

Пшеница является одной из самых распространенных злаковых культур в мире. Однако, в связи с повышением уровня осведомленности общества о целиакии и непереносимости глютена, а также ростом спроса потребителей на здоровую пищу и разнообразие пищевых продуктов, во многих широко употребляемых продуктах, таких как хлеб, пшеничная мука полностью или частично заменяется мукой из других зерновых, псевдозерновых или бобовых культур. Альтернативы пшеничной муке уже доступны на рынке, но эти продукты часто имеют более низкое качество. Целью этой статьи было спрогнозировать пригодность альтернативных культур, таких как рис, кукуруза, гречка, амарант и соя для производства качественного хлеба. Их реологические свойства были изучены в сравнении со свойствами пшеничной муки, служившей эталоном. Исследуемые альтернативные зерновые, псевдозерновые и бобовые культуры были отобраны для представления их для широкого применения в безглютеновых продуктах, а также тех, которые, согласно последним публикациям, обладают улучшенными питательными свойствами. Кроме того, были исследованы различия между пшеничной и гречневой мукой и их цельнозерновыми аналогами. Определение реологических свойств теста из пшеничной муки, а также теста из другого сырья (рис, кукуруза, гречка, амарант и соя) производилось с помощью прибора Mixolab. Согласно результатам измерений Mixolab реологические профили муки из альтернативного сырья значительно отличались от типичного профиля пшеничной муки. Образцы рисовой и обоих видов гречневой муки имели наиболее похожее реологическое поведение с пшеничной мукой. Однако, поскольку не было найдено исследуемое сырье, точно имитирующее свойства теста из пшеничной муки, был сделан вывод, что смеси рисовой и гречневой муки с пшеничной мукой дадут оптимальный реологический профиль. Хотя имитация уникальных хлебопекарных свойств пшеничной муки является очень сложной задачей, можно создать продукты, имеющие реологические свойства, подобные тесту из пшеничной муки, но с улучшенными функциональными свойствами.

Ключевые слова: безглютеновая мука, Mixolab, реология, альтернатива пшеничной муке.

1. Введение 

Пшеница — одна из самых распространенных зерновых культур, которую используют для выпечки хлеба. Однако хлеб, приготовленный из теста из пшеничной муки считается малопитательным [1]. Частичная замена пшеничной муки непшеничной улучшает питательные свойства хлебобулочных изделий и удовлетворяет требования потребителей относительно здорового питания и разнообразия пищевых продуктов. Кроме того, в последние годы растет интерес к замене распространенных безглютеновых рецептур, содержащих рафинированную безглютеновую муку, крахмал и гидроколлоиды на рецептуры, обогащенные природно существующими безглютеновыми ингредиентами [2, 3]. В частности, использование псевдозерновых культур, таких как амарант, кино и гречка, позволило получить безглютеновый хлеб с повышенным содержанием важных питательных веществ, таких как белок, клетчатка, кальций, железо, витамин Е и полифенолы [2]. Также, по данным Sabanis&Tzia и Traynham et al. [1, 3], соевая мука может компенсировать дефицит лизина и других биологически активных компонентов (изофлавонов) в пшеничной муке.

С другой стороны, во многих странах, где пшеница не является основной сельскохозяйственной культурой, замена пшеничной муки на муку из других зерновых культур, таких как кукуруза и рис, происходит также по экономическим причинам [4,5]. Кукуруза является второй по объему производства зерновой культурой, а кукурузная мука имеет высокое содержание многих важных витаминов и минералов [6]. Аналогично, рис является основным продуктом питания для более половины населения мира [7]. Он также характеризуется мягким вкусом, белым цветом, легкостью переваривания и гипоаллергенными свойствами [8].

Однако замена пшеничной муки на муку из другого сырья изменяет реологические свойства теста, а также качество выпечки. Известно, что содержащиеся в непшеничной муке белки не способны образовывать клейковинный каркас, отвечающий за удержание газов, образующихся во время брожения [9, 10].

Среди различных методов определения реологических характеристик Mixolab, вероятно, наиболее успешно использовался во многих испытаниях для исследования поведения теста во время его обработки [11, 12, 13]. С помощью Mixolab можно регистрировать механические изменения в тесте вследствие процессов смешивания и нагревания. Преимущество использования Mixolab заключается в том, что в одном тесте можно измерить свойства как белков, так и крахмала (и связанных с ними ферментов).

Пригодность альтернативных культур для производства качественного хлеба в основном исследуется путем измерения свойств их смесей с пшеничной или другой мукой. Между тем целью этой статьи было с помощью Mixolab определить поведение чистой непшеничной муки, полученной из риса, кукурузы, гречихи, амаранта и сои, во время замешивания и нагревания. Реологические свойства такой муки сравнивали со свойствами пшеничной муки, служившей эталоном. Исследуемые альтернативные зерновые, псевдозерновые и бобовые были выбраны для того, чтобы представить широко используемые культуры в безглютеновых продуктах, а также такие, которые, согласно последним публикациям, имеют улучшенную питательную ценность. Кроме того, были исследованы различия между пшеничной и гречневой мукой и их цельнозерновыми аналогами.

2. Материалы и методы

2.1 Материалы

Пшеничная мука, цельнозерновая пшеничная мука, рисовая мука, кукурузная мука, гречневая мука, цельнозерновая гречневая мука, амарантовая мука и соевая мука закупались на местном рынке. Примерный состав образцов муки приведен в Таблице 1. Влажность и зольность определяли в соответствии с методами ICC №110/1 и 104/1 (ICC, 1996). Для определения содержания белка использовали метод Кьельдаля. Жир и крахмал определяли по методам Вейбулла-Штольдта и Эверса соответственно.
Таблица 1. Химический состав образцов муки^(а,b) (%)

(a) Значения, выраженные как средние (n=3)

(b) Значения в одной строке, обозначенные разными буквами, значительно отличаются (p < 0,05)

(c) В пересчете на сухое вещество

2.2 Измерения Mixolab

Реологические свойства различных образцов муки определяли с помощью прибора Chopin Mixolab (Вильнев-ла-Гаренн, Франция), используя метод ICC №173 и протокол Chopin+ с незначительным изменением массы теста с 75 г на 90 г. Типичный профиль Mixolab демонстрирует следующие параметры: водопоглощающая способность (%) ─ ВПС или процент воды, необходимый для создания консистенции теста, соответствующей крутящему моменту 1,1 Н*м; время образования теста (мин) ─ ВОТ или время, необходимое для образования максимального крутящего момента при температуре 30 °C; стабильность (мин) или промежуток времени, в течение которого потеря максимальной концентрации, достигнутой во время замеса, составляет менее 11%; начальная максимальная консистенция (Н*м) ─ С1, используется для определения водопоглощающей способности; крутящий момент в конце плато (30°C) на графике температуры тестомесильной камеры (Н*м) ─ С1.2; механическое размягчение (Н*м) ─ разница между значениями крутящего момента в точках С1 и С1.2; минимальная консистенция (Н*м) ─ С2, минимальное значение измеренного крутящего момента ─ вследствие нагрева теста во время замеса; термическое размягчение (Н*м) ─ разница между значениями крутящего момента в точках С1.2 и С2; температура клейстеризации (°C) ─ температура в начале роста вязкости; клейстеризация крахмала (Н*м) ─ С3, максимальный крутящий момент, фиксирующийся на стадии нагрева; пиковая температура (°C) ─ температура, при которой достигается максимальная вязкость; минимальный крутящий момент (Н*м) ─ С4, минимальный крутящий момент, достигаемый в течение охлаждения до 50 °C; амилолитическая активность (уменьшение вязкости образца теста) (Н*м) ─ рассчитывается как разница между точками С3 и С4; конечный крутящий момент (Н*м) ─ С5, крутящий момент, фиксирующийся после охлаждения до 50 °C; ретроградация крахмала (повторное увеличение вязкости образца теста) (Н*м) ─ рассчитывается как разница между точками С4 и С5, как показано на Рис. 1. Кроме того, были рассчитаны углы между восходящей и нисходящей частями кривой α, β и γ, которые отражают мощность противодействия замесу (Н*м/мин) и характеризуют скорость размягчения клейковинной сетки и клейстеризации, а также стабильность при выпекании.

Рис.1 Профиль Mixolab

3. Результаты и обсуждение

Пшеничная и непшеничная мука была охарактеризована с точки зрения качества белка и термомеханических свойств с помощью Mixolab. Главные характеристики полученных кривых Mixolab представлены в таблице 2.

Водопоглощающая способность, время образования теста, стабильность и механическое размягчение ─ это параметры, относящиеся к характеристикам теста при замешивании при постоянной температуре 30 °C, описывающие поведение теста на этой стадии обработки. При замесе происходит гидратация соединений, растяжение и упорядочение расположения молекул белков, что приводит к созданию трехмерной вязко-эластичной структуры [14]. Тесто из пшеничной муки, служившее контрольным образцом, характеризовалось низким ВОТ (DDT, время образования теста), длительной стабильностью и высокой стойкостью к механическим воздействиям. Эти свойства пшеничной муки связаны с ее уникальным белковым составом и его качеством. Как известно, белки пшеницы в основном состоят из белков, образующих клейковину (примерно 80–85 % от общего белка пшеницы), которые в свою очередь представлены проламинами (у пшеницы — глиадины) и глютелинами (у пшеницы — глютенины). В отличие от них, неклейковинные белки (альбумины и глобулины) представлены 15–20 % от общего количества белков пшеницы [15, 16]. Запасной белок пшеницы (клейковина) — это вязко-эластичное вещество, отвечающее за формирование структуры теста [17].

Цельнозерновая пшеничная мука, которая благодаря наличию фракции отрубей (оболочка и зародыш) имеет более высокие уровни незапасных белков и жира (табл. 1), характеризуется более высокими ВПС (WAC, водопоглощающая способность) и ВОТ, а также более низкой стабильностью. Высокая водопоглощающая способность цельнозерновой муки уже отмечалась ранее [18] и объяснялась присутствием поглощающих воду арабиноксиланов.

Рисовая и гречневая мука имели такие же показатели водопоглощающей способности, что и пшеничная мука. К тому же из этой муки получают тесто, которое способно дольше противостоять деформации и напоминает по поведению тесто из пшеничной муки. Поэтому композиция этих видов муки нашла широкое применение в разработке безглютеновых продуктов [19]. Все остальные сорта непшеничной муки (цельнозерновая гречневая, амарантовая, кукурузная и соевая) имели значительно более высокую ВПС и более низкую стабильность. Однако рисовая и гречневая мука имели значительно больший ВОТ, что указывает на то, что этой муке требуется большее время для гидратации всех соединений, чем пшеничной муке. А именно, как показано в Таблице 1, рисовая и гречневая мука имеют значительно меньшее содержание белка по сравнению с пшеничной мукой. Кроме того, белки рисовой муки в основном состоят из глютелинов (65–85 %) и имеют лишь небольшое количество проламина (2,5–3,5 %) [20], тогда как белки в псевдозерновых культурах, таких как гречка и амарант, состоят в основном из глобулинов и альбуминов [2].

По значению ВОТ соевая мука оказалась наиболее сходной с пшеничной мукой. Как видно из Таблицы 1, соя является одним из богатейших белками пищевых продуктов. Однако соевая мука требует значительно большего количества воды (ВПС = 101,4 %) для достижения крутящего момента 1,1 Н*м по сравнению с пшеничной (ВПС = 60,0 %) мукой. Более высокое значение водопоглощающей способности, меньшее время образования теста и более значительное механическое размягчение по сравнению с пшеничной мукой наблюдалось и для амарантовой муки, также демонстрируемой в результатах Лоренца [21].

Таблица 2. Параметры Mixolab для разных видов муки^(a,b)

(a) Значения, выраженные как средние (n=2)

(b) Значения в одной строке, обозначенные разными буквами, значительно отличаются (p < 0,05)

(c) ПМ ─ пшеничная мука, ЦПМ ─ цельнозерновая пшеничная мука, ГМ ─ гречневая мука, ЦГМ ─ цельнозерновая гречневая мука, АМ ─ амарантовая мука, РМ ─ рисовая мука, КМ ─ кукурузная мука, СМ ─ соевая мука

При нагревании происходит агрегация и денатурация белков [22], что приводит к понижению консистенции теста (точка С2). Белки рисовой муки проявляли небольшое размягчение под влиянием механической и термической обработки, тогда как амарантовая мука характеризовалась высокой степенью денатурации белка и, следовательно, более низким его качеством. С ростом температуры влияние денатурации белков снижается и преобладающую роль в увеличении крутящего момента начинают играть свойства гранул крахмала. Увеличение вязкости и, таким образом, крутящего момента является результатом набухания гранул крахмала в результате поглощения воды и вымывания цепей амилозы в водную межгранулярную фазу [23]. Пшеничная мука продемонстрировала лучшие характеристики крахмала образцов (большая клейстеризация крахмала, С3), чем цельнозерновая, псевдозерновая и соевая мука. Это можно объяснить конкуренцией за удержание воды между крахмалом и отрубями, присутствующими в тесте из цельнозерновой и псевдозлаковой муки [12]. Более низкое значение максимальной клейстеризации, а также более низкая скорость клейстеризации (β) были зафиксированы для амарантовой и соевой муки, которые имели более низкое содержание крахмала и более высокое содержание липидов, чем другая мука (табл. 1). Полученные результаты коррелируют с данными о том, что липиды образуют комплекс с амилозой, что приводит к понижению пиковой вязкости [24]. Напротив, рисовая и кукурузная мука, богатые углеводами (табл. 1), имели более высокие значения клейстеризации и ее скорости, чем другие виды муки.

Дальнейшее снижение вязкости (точка С4) является результатом физического разрушения гранул из-за дальнейшего механического и температурного воздействия [11]. Уменьшение вязкости образца теста (промежуток C3-C4) также является показателем активности амилазы. А именно, чем больше разница между С3 и С4, тем больше активность амилазы. Впоследствии, при охлаждении, крахмал ретроградирует и консистенция становится более плотной (точка С5) [12]. Согласно результатам, приведенным в таблице 2, мука, полученная из псевдозерновых культур (гречки и амаранта), показала самые низкие показатели амилолитической активности и стабильности при выпекании. В частности, Икеда и другие [25] доказали, что семена гречихи содержат ингибитор β-амилазы, что приводит к снижению показателей C3-C4. Поскольку стабильность при выпекании может быть связана с продленным сроком хранения хлеба [12], можно заключить, что хлеб, содержащий муку псевдозерновых культур, будет черстветь медленнее во время хранения. Кроме того, амарантовая мука имеет самые низкие значения конечного крутящего момента (C5) и промежутка C5-C4, а следовательно, и самую низкую ретроградацию крахмала.

4. Выводы

Мука из разного сырья была испытана с целью исследования ее способности имитировать поведение теста из пшеничной муки во время приготовления и выпекания хлеба. Среди протестированных альтернативных зерновых (рис, кукуруза), псевдозерновых (гречка, амарант) и бобовых (соя), именно рисовая и гречневая мука продемонстрировали наиболее схожие характеристики белков (водопоглощающая способность, стабильность и степень механического размягчения) и крахмала (клейстеризация крахмала, минимальный крутящий момент и ретроградация) по сравнению с характеристиками пшеничной муки. Поскольку профиль Mixolab пшеничной муки находился примерно посередине между профилями рисовой и гречневой муки, можно заключить, что смеси рисовой и гречневой муки дадут оптимальный реологический профиль.

5. Благодарность

Это исследование является частью проекта (№ 31007), финансируемого Министерством науки и технологического развития Республики Сербия.

Литература

[1] Sabanis D, Tzia C. Effect of Rice, Corn and Soy Flour Addition on Characteristics of Bread Produced from Different Wheat Cultivars. Food Bioprocess Tech 2009; 2: 68-79. 

[2] Alvarez-Jubete L, Arendt EK, Gallagher E. Nutritive value of pseudocereals and their increasing use as functional glutenfree ingredients. Trends Food Sci Tech 2010; 21: 106-113. [3] Traynham TL, Myers DJ, Carriquiry AL, Johnson LA. Evaluation of Water-Holding Capacity for Wheat–Soy Flour Blends. J Am Oil Chem Soc 2007; 84: 151-155. 

[4] Navickis LL. Corn flour addition to wheat flour doughs – Effect on rheological properties. Cereal Chem 1987; 64(4): 307- 310. 

[5] Elkhalifa AO, El-Tinay AH. Effect of cysteine on bakery products from wheat-sorghum blends. Food Chem 2002, 77: 133- 137. 

[6] Watson SA. Structure and composition. In: Watson SA, Ramstad PE, editors. Corn: Chemistry and technology, Saint Paul: AACC, 1987. 

[7] Wanyo P, Chomnawang C, Siriamornpun S. Substitution of Wheat Flour with Rice Flour and Rice Bran in Flake Products: Effects on Chemical, Physical and Antioxidant Properties. World Appl Sci J 2009; 7(1): 49-56. 

[8] Gujral S, Haros M, Rosell C. Improving the texture and delaying staling in rice flour chapatti with hydrocolloids and Įamylase. J Food Eng 2004; 65: 89-94. 

[9] Gallagher E, Gormley TR, Arendt EK. Crust and crumb characteristics of gluten-free breads. J Food Eng 2003; 56: 153-161. 334 Tamara Dapcevic Hadnadev et al. / Procedia Food Science 1 (2011) 328 – 334 

[10] Arendt EK, O’Brien TJ, Schober TJ, Gallagher E, Gormley TR. Development of gluten-free cereal products. Farm Food 2002; 12: 21-27. 

[11] Rosell CM, Collar C, Haros M. Assessment of hydrocolloid effects on the thermo-mechanical properties of wheat using the Mixolab. Food Hydrocolloid 2007; 21: 452-462. 

[12] Collar C, Bollaín C, Rosell CM. Rheological Behaviour of Formulated Bread Doughs During Mixing and Heating, Food Sci Technol Int 2007; 13(2):99–107. 

[13] Huang W, Li L, Wang F, Wan J, Tilley M, Ren C, Wu S. Effects of transglutaminase on the rheological and Mixolab thermomechanical characteristics of oat dough. Food Chem 2010; 121: 934–939. 

[14] Bonet A, Blaszczak W, Rosell, CM. Formation of homopolymers and heteropolymers between wheat flour and several protein sources by transglutaminase-catalyzed cross-linking. Cereal Chem 2006; 83: 655–662. 

[15] Veraverbeke WS, Delcour JA. Wheat Protein Composition and Properties of Wheat Glutenin in Relation to Breadmaking Functionality. Crit Rev Food Sci 2002; 42(3): 179-208. 

[16] Kovacs MIP, Fu BX, Woods SM, Khan K. Thermal stability of wheat gluten protein: its effect on dough properties and noodle texture. J Cereal Sci 2004; 39: 9–19. 

[17] Lazaridou A, Duta D, Papageorgiou M, Belc N, Biliaderis CG. Effects of hydrocolloids on dough rheology and bread quality parameters in gluten-free formulations. J Food Eng 2007; 79: 1033–1047. 

[18] Lineback DR, Rasper VF. Wheat carbohydrates. In: Pomeranz Y, editors. Wheat: Chemistry and Technology. Volume I, St Paul: AACC; 1988.

[19] Torbica A, Hadnaÿev M, Dapþeviü T. Rheological, textural and sensory properties of gluten-free bread formulations based on rice and buckwheat flour. Food Hydrocolloid 2010; 24: 626-632. 

[20] Marco C, Rosell CM. Breadmaking performance of protein enriched, gluten-free breads. Eur Food Res Technol 2008; 227:1205–1213. 

[21] Lorenz K. Amaranthus hypochondriacus-Characteristics of the starch and baking potential of the flour, Starch 1981; 33(5): 149-153. 

[22] Rosell CM, Foegeding, A. Interaction of hydroxypropylmethylcellulose with gluten proteins: Small deformation properties during thermal treatment. Food Hydrocolloid 2007; 21: 1092–1100. 

[23] Rosell CM, Marco C, García-Alvárez J, Salazar J. Rheological properties of rice–soybean protein composite flours assessed by Mixolab and ultrasound. J Food Process Eng 2010; DOI: 10.1111/j.1745-4530.2009.00501.x. 

[24] Zaidul ISM., Yamauchi H, Kim S, Hashimotom N, Noda T. RVA study of mixtures of wheat flour and potato starches with different phosphorus contents. Food Chem 2007; 102: 1105–1111. 

[25] Ikeda M., Shida K. & Kisheda M. Į-Amylase inhibitor in buckwheat seed. Fagopyrum 1994; 14: 3-6.

11th International Congress on Engineering and Food (ICEF11)

Rheological properties of wheat flour substitutes/alternative crops assessed by Mixolab

Tamara Dapþeviü Hadnaÿeva, Aleksandra Torbica, Miroslav Hadnaÿev

Перевод: Руслана Джафарова, Елена Корытнюк