Оцінка реологічних властивостей замінників пшеничного борошна/альтернативних культур за допомогою Mixolab

Пшениця є однією з найпоширеніших злакових культур у світі. Однак, у зв’язку з підвищенням рівня обізнаності суспільства про целіакію та непереносимість глютену, а також зростанням попиту споживачів на здорову їжу та різноманітність харчових продуктів, у багатьох широко вживаних продуктах, таких як хліб, пшеничне борошно повністю або частково замінюється борошном з інших зернових, псевдозернових або бобових культур. Альтернативи пшеничному борошну вже  доступні на ринку, але ці продукти часто мають нижчу якість. Метою цієї статті було спрогнозувати придатність альтернативних культур, таких як рис, кукурудза, гречка, амарант і соя, для виробництва якісного хліба. Їх реологічні властивості були вивчені у порівнянні з властивостями пшеничного борошна, яке слугувало еталоном. Досліджувані альтернативні зернові, псевдозернові та бобові культури були відібрані з метою представлення їх для широкого застосування у безглютенових продуктах, а також тих, які, згідно з останніми публікаціями, мають покращені поживні властивості. Крім того, було досліджено відмінності між пшеничним і гречаним борошном та їхніми цільнозерновими аналогами. Визначення реологічних властивостей тіста з пшеничного борошна, а також тіста з іншої сировини (рис, кукурудза, гречка, амарант і соя) проводилося за допомогою приладу Mixolab. Згідно з результатами вимірювань Mixolab, реологічні профілі  борошна з альтернативної сировини   значно відрізнялися від типового профілю пшеничного борошна. Зразки рисового та обох видів гречаного борошна мали найбільш схожу реологічну поведінку з пшеничним борошном. Однак, оскільки не було знайдено досліджуваної сировини, яка би точно імітувала властивості тіста з пшеничного борошна, було зроблено висновок, що суміші  рисового та гречаного борошна з пшеничним борошном дадуть оптимальний реологічний профіль. Хоча імітація унікальних хлібопекарських властивостей пшеничного борошна є дуже складним завданням, однак  можна створити продукти, що мають реологічні властивості подібні до тіста з пшеничного борошна, але з покращеними функціональними властивостями.

Ключові слова: безглютенове борошно, Mixolab, реологія, альтернатива пшеничному борошну

1. Вступ

Пшениця ─ одна з найпоширеніших зернових культур, яку використовують для випікання хліба. Однак хліб, приготовлений з тіста з пшеничного борошна вважається малопоживним [1]. Часткова заміна пшеничного борошна на непшеничне покращує поживні властивості хлібобулочних виробів і задовольняє вимоги споживачів щодо здорового харчування та різноманітності харчових продуктів. Крім того, в останні роки зростає інтерес до заміни поширених безглютенових рецептур,  які містять рафіноване безглютенове борошно, крохмаль та гідроколоїди на рецептури, які збагачені природно існуючими  безглютеновими інгредієнтами [2, 3]. Зокрема, використання псевдозернових культур, таких як амарант, кіноа та гречка, дозволило отримати безглютеновий хліб з підвищеним вмістом важливих поживних речовин, таких як білок, клітковина, кальцій, залізо, вітамін Е та поліфеноли [2]. Також, за даними Sabanis & Tzia та Traynham et al. [1, 3], соєве борошно може компенсувати дефіцит лізину та інших біологічно активних компонентів (ізофлавонів)у пшеничному борошні.

З іншого боку, у багатьох країнах, де пшениця не є основною сільськогосподарською культурою, заміна пшеничного борошна борошном з інших зернових культур, таких як кукурудза та рис, відбувається також з економічних причин [4,5]. Кукурудза є другою за обсягами виробництва зерновою культурою, а кукурудзяне борошно містить високий вміст багатьох важливих вітамінів і мінералів [6]. Аналогічно, рис є основним продуктом харчування для більш ніж половини населення світу [7]. Він також характеризується м’яким смаком, білим кольором, легкістю перетравлення та гіпоалергенними властивостями [8].

Однак заміна пшеничного борошна на борошно з іншої сировини змінює реологічні властивості тіста, а також якість випічки. Відомо, що білки, які містяться в непшеничному борошні, не здатні утворювати клейковиний каркас, який відповідає за утримання газів, що утворюються під час бродіння [9, 10].

Серед різних  методів визначення реологічних характеристик, Mixolab, ймовірно, найуспішніше  використовувався в багатьох випробуваннях для дослідження поведінки тіста під час його обробки [11, 12, 13]. За допомогою Mixolab можна реєструвати механічні зміни у тісті  внаслідок  процесів змішування та нагрівання, Протоколи випробувань , які встановлені на Mixolab , імітують механічну роботу та температурні режими , що зазвичай застосовуються під час  процесів приготування та випікання хліба. Перевага використання Mixolab полягає в тому, що в одному тесті можна виміряти як  властивості білків, так  і крохмалю (та пов’язаних з ними ферментів).

Придатність альтернативних культур для виробництва якісного хліба в основному досліджується шляхом вимірювання властивостей їх сумішей з пшеничним або іншим борошном. Натомість метою цієї статті було визначити поведінку чистого непшеничного борошна, отриманого з рису, кукурудзи, гречки, амаранту та сої, під час замішування та нагрівання за допомогою Mixolab. Реологічні властивості такого борошна  порівнювали з властивостями пшеничного борошна, яке слугувало еталоном. Досліджувані альтернативні зернові, псевдозернові та бобові були обрані для того, щоби представити широко використовувані культури в безглютенових продуктах, а також такі, які, згідно з останніми публікаціями, мають поліпшену поживну цінність. Крім того, було досліджено відмінності між пшеничним і гречаним борошном та їхніми цільнозерновими аналогами.

2. Матеріали та методи

2.1 Матеріали

Пшеничне борошно, цільнозернове пшеничне борошно, рисове борошно, кукурудзяне борошно, гречане борошно, цільнозернове гречане борошно, амарантове борошно та соєве борошно закуповувалися на місцевому ринку. Приблизний склад зразків борошна наведено в Таблиці 1. Вологість і зольність визначали відповідно до методів ICC № 110/1 і 104/1 (ICC, 1996). Для визначення вмісту білка використовували метод К’єльдаля. Жир і крохмаль визначали за методами Вейбулла-Штольдта і Еверса відповідно.

Таблиця 1. Хімічний склад зразків борошна^(а,b) (%)

(a) Значення, виражені як середні (n=3)

(b) Значення в одному рядку, позначені різними літерами, значно відрізняються (p < 0,05)

(c) У перерахунку на  суху речовину

2.2 Вимірювання Mixolab

Реологічні властивості різних зразків борошна  визначали за допомогою приладу Chopin Mixolab ( Вільнев-ла-Гаренн, Франція), використовуючи метод ICC №173 і протокол Chopin+ з незначною зміною маси тіста з  75 г на  90 г. Типовий профіль Mixolab демонструє наступні параметри: водопоглинальна здатність (%) ─ ВПЗ або відсоток води, необхідний для створення консистенції тіста, що відповідає крутному моменту 1,1 Н*м; час утворення тіста (хв) ─ ЧУТ або час, необхідний для утворення максимального крутного моменту за температури 30 °C; стабільність (хв) або проміжок часу, впродовж якого втрата максимальної концентрації , яка була досягнута під час замішування, складає менше 11%; початкова максимальна консистенція (Н*м) ─ С1, використовується  для визначення водопоглинальної здатності; крутний момент наприкінці плато (30°C) на графіку температури тістомісильної камери  (Н*м) ─ С1.2; механічне розм’якшення (Н*м) ─ різниця між значеннями крутного моменту у точках С1 і С1.2; мінімальна консистенція (Н*м) ─ С2, мінімальне значення виміряного крутного моменту- внаслідок нагріву тіста під час замішування; термічне розм’якшення (Н*м) ─ різниця між значеннями крутного моменту у точках С1.2 і С2; температура клейстерізації (°C) ─ температура на початку зростання в’язкості; клейстеризація крохмалю (Н*м) ─ С3, максимальний крутний момент, який фіксується на стадії нагрівання; пікова температура (°C) ─ температура,за якої досягається максимальна в’язкість; мінімальний крутний момент (Н*м) ─ С4, мінімальний крутний момент, який досягається впродовж охолодження до 50 °C; амілолітична активність (зменшення в’язкості зразку тіста)(Н*м) ─ розраховується як різниця між точками С3 та С4; кінцевий крутний момент (Н*м) ─ С5, крутний момент, який фіксується після охолодження до 50 °C; ретроградація крохмалю (повторне збільшення в’язкості зразку тіста) (Н*м) ─ розраховується як різниця між точками С4 і С5, як показано на Рис. 1. Крім того, були розраховані кути між висхідною та низхіднимі частинами кривої α, β та γ, які відображають потужність протидії замісу (Н*м/хв) та характеризують швидкість розм’якшення клейковинної сітки та клейстеризації, а також стабільності при випіканні, відповідно.

Рис.1 Профіль Mixolab

3. Результати та обговорення

Пшеничне та непшеничне борошно було охарактеризовано з точки зору якості білка та термомеханічних властивостей за допомогою приладу Mixolab. Основні параметри отриманих кривих Mixolab представлені в таблиці 2. 

Водопоглинальна здатність, час утворення тіста, стабільність та механічне розм’якшення ─ це параметри, які відносяться до характеристик тіста під час замішування при постійній температурі 30 °C, що описують поведінку тіста на  цій стадії обробки. Під час замішування відбувається гідратація сполук та розтягування та упорядкування розташування молекул  білків, що призводить до створення тривимірної в’язко-еластичної структури [14]. Тісто з пшеничного борошна, яке слугувало контрольним зразком, характеризувалося низьким ЧУТ, тривалою стабільністю та високою стійкістю до механічних впливів. Ці властивості пшеничного борошна пов’язані з його унікальним білковим складом та його якістю. Як відомо, білки пшениці в основному складаються з білків, які утворюють клейковину (приблизно 80—85 % від загального білка пшениці), які в свою чергу представлені проламінами (у пшениці — гліадини) і глютелінами (у пшениці — глютеніни). На відміну від них, неклейковинні білки (альбуміни та глобуліни) представлені 15—20 % від загальної кількості білків пшениці [15, 16]. Запасний білок пшениці (клейковина) — це в’язко-еластична речовина, яка відповідає за формування структури тіста [17]. 

Цільнозернове пшеничне борошно, яке завдяки наявності фракції висівок (оболонка та зародок) має вищі рівні незапасних білків і жиру (табл. 1), характеризується вищими ВПЗ і ЧУТ, а також нижчою стабільністю. Висока водопоглинальна здатність цільнозернового борошна вже відмічалася раніше [18] і пояснювалася присутністю арабіноксиланів, що поглинають воду. 

Рисове та гречане борошно мали такі ж показники водопоглинальної здатності, що і пшеничне борошно. До того ж, з цього борошна отримають тісто, яке здатно довше протистояти деформації і нагадує по поведінці тісто з пшеничного борошна. Тому комбінація цих видів борошна знайшла широке застосування у розробці безглютенових продуктів [19]. Усі інші сорти непшеничного борошна (цільнозернове гречане, амарантове, кукурудзяне та соєве) мали значно вищу ВПЗ та нижчу стабільність. Однак, рисове та гречане борошно мали значно більший ЧУТ, що вказує на те, що цьому борошну потрібен більший час для гідратації всіх сполук, ніж пшеничному борошну. А саме, як показано в Таблиці 1, рисове та гречане борошно мають значно менший вміст білка порівняно з пшеничним борошном. Крім того, білки рисового борошна в основному складаються з глютелінів (65—85 %) і мають лише невелику кількість проламінів (2,5—3,5 %) [20], тоді як білки в псевдозернових культурах, таких як гречка і амарант, складаються в основному з глобулінів і альбумінів [2].

За значенням ЧУТ соєве борошно виявилося найбільш подібним до пшеничного борошна. Як видно з Таблиці 1 , соя є одним з найбагатших на білки харчовим продуктом. Однак, соєве борошно потребує значно більшої кількості води (ВПЗ = 101,4 %) для досягнення крутного моменту 1,1 Н*м, порівняно з пшеничним (ВПЗ = 60,0 %) борошном. Більш високе значення водопоглинальної здатності, менший час утворення тіста і більш значне механічне розм’якшення в порівнянні з пшеничним борошном спостерігалося і для амарантового борошна, що також демонструється в результатах Лоренца [21].

Таблиця 2. Параметри Міксолаб для різних видів борошна^(a,b)

(a) Значення, виражені як середні (n=2)

(b) Значення в одному рядку, позначені різними літерами, значно відрізняються (p < 0,05)

(c) ПБ ─ пшеничне борошно, ЦПБ ─ цільнозернове пшеничне борошно, ГБ ─ гречане борошно, ЦГБ ─ цільнозернове гречане борошно, АБ ─ амарантовое борошно, РБ ─ рисове борошно, КБ ─ кукурудзяне борошно, СБ ─ соєве борошно

При нагріванні відбувається агрегація та денатурація білків [22], що призводить до зниження консистенції тіста (точка С2). Білки рисового борошна проявляли невелике розм’якшення під впливом механічної та термічної обробки, тоді як амарантове борошно характеризувалося високим ступенем  денатурації білка і, отже, нижчою його якістю. Із зростанням температури вплив денатурації білків знижується і переважну роль у збільшенні крутного моменту починають відігравати властивости гранул крохмалю.  Збільшення в’язкості і, таким чином, крутного моменту є результатом набухання гранул крохмалю внаслідок поглинання води та вимивання ланцюгів амілози у водну міжгранулярну фазу [23]. Пшеничне борошно продемонструвало кращі характеристики крохмалю зразків (вища клейстеризація крохмалю, С3), ніж цільнозернове, псевдозернове та соєве борошно. Це можна пояснити конкуренцією за  утримання води між крохмалем і висівками, присутніми в тісті з цільнозернового та псевдозлакового борошна [12]. Нижче значення максимальної клейстеризації, а також нижча швидкість клейстеризації (β) були зафіксовані для амарантового та соєвого борошна, які мали нижчий вміст крохмалю та вищий вміст ліпідів, ніж інше борошно (табл. 1). Отримані результати корелюють з даними про те, що ліпіди утворюють комплекс з амілозою, що призводить до зниження пікової в’язкості [24]. Навпаки, рисове та кукурудзяне борошно, які багаті на вуглеводи (табл. 1), мали вищі значення клейстеризації та її швидкості, ніж інші види борошна. 

Подальше зниження в’язкості (точка С4) є результатом фізичного руйнування гранул через подальший механічний та температурний вплив [11]. Зменшення в’язкості зразку тіста (проміжок C3—C4) також є показником активності амілази. А саме, чим більша різниця між С3 і С4, тим більша активність амілази. Згодом, при охолодженні, крохмаль ретроградує і консистенція становиться більш щільною (точка С5) [12]. Згідно з результатами, наведеними в таблиці 2, борошно, отримане з псевдозернових культур (гречки та амаранту), показало найнижчі показники амілолітичної активності та стабільності при випіканні. Зокрема, Ікеда та ін. [25] довели, що насіння гречки містить інгібітор β-амілази, що призводить  до зниження показників C3—C4. Оскільки стабільність при випіканні може бути пов’язана з подовженим терміном зберігання хліба [12], можна зробити висновок, що хліб, який містить борошно псевдозернових культур, буде черствіти повільніше  під час зберігання. Крім того, амарантове борошно має найнижчі значення кінцевого крутного моменту (C5) та проміжку C5—C4, а отже, й найнижчу ретроградацію крохмалю.

4. Висновки

Борошно з різної сировини було випробувано з метою дослідження його здатності імітувати поведінку тіста з пшеничного борошна під час приготування та випікання хліба. Серед протестованих альтернативних зернових (рис, кукурудза), псевдозернових (гречка, амарант) та бобових (соя), саме рисове та гречане борошно продемонстрували найбільш схожі характеристики білків (водопоглинальна здатність, стабільність та ступінь механічного розм’якшення) та крохмалю (клейстеризація крохмалю, мінімальний крутний момент та ретроградація) у порівнянні з характеристиками пшеничного борошна. Оскільки профіль Mixolab пшеничного борошна знаходився приблизно посередині між профілями рисового та гречаного борошна, можна зробити висновок, що суміші рисового та гречаного борошна дадуть оптимальний реологічний профіль.

5. Подяка

Це дослідження є частиною проекту (№ 31007), який фінансується Міністерством науки і технологічного розвитку Республіки Сербія.

Література

[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

Переклад: Руслана Джафарова, Олена Коритнюк