Влияние влаготермической и экструзионной обработки кукурузного крахмала на его резистентность

физические и химические методы переработки сельхозпродукции

УДК 631.1.023

Влияние влаготермической и экструзионной обработки кукурузного крахмала на его резистентность

Е. К. КОПТЕЛОВА, канд. техн. наук; Л. Г. КУЗЬМИНА; Н. Д. ЛУКИН, д-р техн. наук

ВНИИ крахмалопродуктов — филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, п. Красково, Московская область

Крахмал и крахмалопродукты являются компонентами многих продуктов традиционного питания населения и хорошо усваиваются организмом человека. Однако в ряде случаев, особенно в диетическом питании людей, страдающих заболеваниями желудочно-кишечного тракта, необходима низкокалорийная пища с повышенным содержанием труднорастворимых компонентов. Такие вещества должны сохранять свои технологические свойства и не снижать качества готового продукта. Этим требованиям отвечают амилорезистент-ные (или просто резистентные) крахмалы, которые при использовании проявляют свойства, аналогичные диетической клетчатке. Резистентный крахмал не расщепляется в тонком кишечнике, но улучшает его перистальтику и используется кишечными бактериями с получением жирных кислот с короткой цепью, которые могут снижать уровень онкологических молекул, способствующих развитию рака прямой и толстой кишки.

Резистентные крахмалы (РК) улучшают чувствительность клеток к инсулину, снижают уровень холестерина в крови и способствуют появлению более раннего чувства насыщения пищей. Поэтому РК используют также для снижения веса человека.

Ферментативную устойчивость крахмалов можно изменять химической и физико-химической обработкой: гидролитической деструкцией, этерификацией, экструзией, введением поперечных связей между полисахаридами [1]. Резистентные крахмалы часто получают нагреванием клейстеризованного крахмала до температуры выше 120 °С с последующим охлаждением до 40 °С и ниже. Увеличение циклов нагревания-охлаждения способствует увеличению выхода резистентного крахмала [2, 3].

В публикациях последних лет отмечен повышенный интерес к исследованию структуры, физико-химических особенностей и технике получения резистентных крахмалов [4, 5].

Известно, что под влиянием амилолитических ферментов в крахмале расщепляется преимущественно упорядоченная часть цепей амилозы, поэтому по количеству полученной при этом глюкозы можно косвенно судить об амилорезистентности исследуемых образцов.

Анализ и обсуждение литературных источников позволили авторам выбрать методику определения резистентности крахмалов и уточнить отдельные ее

этапы. Полученные данные позволили авторам предложить методику, которая состоит из следующих аналитических операций:

♦ клейстеризация испытуемого образца в воде и разбавление клейстера;

♦ проведение ферментации;

♦ определение содержания глюкозы в гидролизате.

С применением этой методики проведены анализы

крахмалов, полученных из кукурузы разных видов — зубовидной, восковидной, высокоамилозной — и из картофеля.

Ферментативное расщепление испытуемых крахмалов проводили с использованием панкреатической а-амилазы свиньи фирмы Flucа активностью 16 мг/см3 и амилоглюкозидазы активностью 3000 ед/см3. Гидролиз осуществляли при температуре 37 °С, продолжительность процесса ферментации от 2 до 60 мин. Углеводный состав гидролизатов определен на жидкостном хроматографе фирмы Bischoff.

Среди испытанных образцов кукурузных крахмалов более высокой резистентностью отличался крахмал с повышенным содержанием амилозы. Установлено, что картофельный крахмал почти в 2 раза более устойчив к действию ферментов, чем кукурузный.

Известно, что проведение модификации крахмалов может изменить его резистентность.

Так, например, при изготовлении предварительно клейстеризованных (набухающих) зерновых крахмалов получаются продукты с пониженным набуханием в холодной воде. Картофельный набухающий крахмал восстанавливается в холодной воде полностью, а кукурузный лишь на 60%, что связано с повышенной ретроградацией его макромолекул при обработке на вальцовой сушилке. Эта особенность набухающего кукурузного крахмала способствует повышению степени его резистентности, что подтверждают представленные в табл. 1 результаты определения углеводного состава гидролизатов набухающих кукурузных крахмалов, изготовляемых отечественными предприятиями.

Как видно, углеводный состав гидролизатов набухающих крахмалов преимущественно состоит из высокомолекулярных соединений (ВМС) — от 76,0%, содержание которых снижается при гидролизе на 5—7%, количество мальтозы снижается только на 2—3%. Глюкоза увеличивается от 9,8—11,0 до 19,2— 21,8%, что в 1,5—2 раза ниже, чем у исходного кукурузного крахмала. Эти данные свидетельствуют о

Таблица 1

углеводный состав гидролизатов набухающих кукурузных крахмалов, %

Номер образца ОАО «Чаплыгинский крахмальный завод» ООО «Терек-крахмал»

Углевод Время, мин

5 15 30 60 5 15 30 60

Высокомолекулярные 1 70,1 70,3 70,1 66,5 76,0 69,0 66,2 61,7

соединения 2 70,9 70,1 63,2 63,3 — — — —

Мальтоза 1 2 17,5 15,3 16,4 14,1 15,2 14,4 14.3 14.4 14,3 15,7 17,7 16,5

Глюкоза 1 2 11,4 13,8 12,9 15,9 14,9 22,4 19,2 23,1 9,8 15,3 16,1 21,8

Примечание. Образец № 1 — набухающий крахмал без добавок. Образец № 2 — пищевой набухающий фосфатный.

25-

10-

5-

15

45

60

30

Время, мин

—- Контроль

Набухающий крахмал пищевой фосфатный —к- Набухающий крахмал расщепленный

Рис. 1. Содержание глюкозы в гидролизатах набухающих кукурузных крахмалов, полученных на разных предприятиях РФ

достаточно высокой резистентности набухающих кукурузных крахмалов, получаемых на вальцовых сушилках.

Видимо, в процессе влаготермической обработки гранул крахмала происходит ускорение ретроградации крахмальных макромолекул, их сближение и частичная кристаллизация амилозных цепочек. Эти явления снижают стабилизационную способность крахмальных макромолекул и повышают устойчивость новой структуры крахмала к действию ферментов.

Изменение содержания глюкозы в гидролизате набухающих кукурузных крахмалов в процессе ферментации показано на рис. 1.

В то же время внесение натриевых солей фосфорной кислоты в крахмальную суспензию перед ее высушиванием на вальцовой сушилке (образец № 2) разрушает структуру крахмального зерна, изменяет связи между его макромолекулами и снижает сопротивление ферментативному расщеплению, поэтому резистентность его уменьшается.

В настоящее время для модификации крахмала и повышения его растворимости в холодной воде на предприятиях крахмальной промышленности применяется экструзионная обработка. Экструзионный крахмал используется как загуститель и стабилизатор для пищевых и технических целей.

В данной работе изучена резистентность экстру-зионных крахмалов, полученных на отечественных предприятиях с использованием предложенной методики, с определением углеводного состава гид-ролизатов методом жидкостной хроматографии. Полученные данные углеводного состава гидроли-затов экструзионных крахмалов приведены в табл. 2.

В табл. 2 видно, что основную часть гидролизатов экструзионного крахмала составляют высокомолекулярные углеводы (ВМС).

Таблица 2

углеводный состав гидролизатов экструзионных кукурузных крахмалов, %

0

Углевод Образец Время ферментации, мин

5 15 30 60

ЭК 1 44,9 34,7 36,5 35,1

ВМС ЭК 2 58,9 56,9 53,0 49,0

ЭК 3 68,4 67,7 68,1 68,2

ЭК 1 17,4 18,2 15,1 15,2

Мальтоза ЭК 2 18,2 18,5 17,9 17,2

ЭК 3 15,3 16,0 16,1 13,9

ЭК 1 37,7 47,1 48,3 49,8

Глюкоза ЭК 2 22,5 24,5 29,2 33,1

ЭК 3 16,2 16,3 15,8 17,9

Примечание. ЭК 1 «Крахмал». ЭК3 - — экструзионный крахмальный реагент ООО «Амилко». ЭК 2 — экструзионный крахмальный реагент ООО - экструзионный набухающий крахмал ВНИИК

60-г

5550454035302520151050 - — 0

15

45

60

30

Время, мин

—- Экструзионный крахмальный реагент ООО «Амилко» —- Экструзионный крахмальный реагент ООО «Крахмал» —- Экструзионный набухающий крахмал ВНИИК

Рис. 2. Содержание глюкозы в гидролизатах экструзионных крахмалов при разной продолжительности гидролиза

Содержание мальтозы у всех образцов примерно одинаково: от 15 до 18,5 %. В то же время количество глюкозы различно: в образце из ООО «Амилко» 37,7—49,8 %, у образца ООО «Крахмал» значения глюкозы намного ниже — 22,5—33,1%. Следует отметить, что среди всех испытанных образцов высокой

резистентностью отличается экструзионный крахмал опытного цеха ВНИИК: показатели глюкозы в 2,5—3 раза ниже, чем в образце экструзионного крахмала ООО «Амилко» — 16,0—17,9 %. Приведенные на рис. 2 кривые подтверждают полученные результаты в оценке образцов крахмалов по степени резистентности.

В то же время растворимость в холодной воде всех экструзионных образцов высокая, они почти полностью растворяются без нагревания. Вероятно, на результаты гидролиза влияют конструктивные особенности экструдеров и добавки, которые используются в технологии экструдирования.

Сравнение результатов, полученных при оценке набухающих и экструзионных крахмалов, показывает, что первые из них обладают более высокой резистентностью (почти в 3 раза и более), чем экс-трузионные крахмалы. В связи с этим технологию получения экструзионных и набухающих крахмалов целесообразно изучать и далее с целью уточнения условий, способствующих повышению резистентности крахмалов разного происхождения при модификации на выбранном для этого оборудовании.

Литература

1. Englist H. N., Kingman S. N., Cummings J. H. Classificftion and measurement of nutritional important starch fractions // Eur. J. Clin. Nutr. — 1992. — Р. 33-46.

2. Lee Kw. et al. Influence of storage temperature and autoclaving cycles on slowly and resistant (RS) formation from partially debranched rice starch // Starch-Starke. — 2013. — 65. — Р. 694-701.

3. Patel Bh., Seetharaman K. Effekt of heating rate at different moistnure contents on starch retrogradation and starch-water interactions during gelatinization // Starch-Starke. — 2010. — 62. — Р. 538-546.

4. Son Trinh K., Jun Choi S., Wha Woon T. Structure and digestibility of debranched and hydrothermally treated water yam starch // Starch-Starke. — 2013. — 65. — Р. 679-685.

5. Коптелова, Е. К. Оценка амилолитической устойчивости крахмалов различного происхождения и модификации / Е. К. Коптелова, Л. Г. Кузьмина, Н. Д. Лукин // Инновационные технологии в пищевой промышленности. Материалы XV Международной научно-практической конференции 5-6 октября 2016. — Минск, 2016. — С. 59-62.

References

1. Englist H. N., Kingman S. N., Cummings J. H. Classificftion and measurement of nutritional important starch fractions // Eur. J. Clin. Nutr. — 1992. — P. 33-46.

2. Lee Kw. et al. Influence of storage temperature and autoclaving cycles on slowly and resistant (RS) formation from partially debranched rice starch // Starch-Starke. — 2013. — 65. — P. 694-701.

3. Patel Bh., Seetharaman K. Effekt of heating rate at different moistnure contents on starch retrogradation and starch-water interactions during gelatinization // Starch-Starke. — 2010. — 62. — P. 538-546.

4. Son Trinh K., Jun Choi S., Wha Woon T. Structure and digestibility of debranched and hydrothermally treated water yam starch // Starch-Starke. — 2013. — 65. — P. 679-685.

5. Koptelova, E. K. Ocenka amiloliticheskoj ustojchivosti krah-malov razlichnogo proishozhdenija i modifikacii / E. K. Koptelova, L. G. Kuz'mina, N. D. Lukin // Innovacionnye tehnologii v pishhevoj promyshlennosti. Materialy XV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii 5-6 oktjabrja 2016. — Minsk, 2016. — S. 59-62.

Влияние влаготермической и экструзионной обработки кукурузного крахмала на его резистентность

Ключевые слова

амилолитические ферменты; гидролизаты крахмала; жидкостная хроматография; крахмал резистентный; содержание глюкозы; ферментативная резистентность.

реферат

Для поддержания здорового образа жизни человека в рецептуру некоторых диетических продуктов включают крахмал, который не расщепляется амилолитическими ферментами в желудочно-кишечном тракте человека. Такой крахмал считается амилорезис-тентным, или просто резистентным. Резистентный крахмал улучшает перистальтику тонкого кишечника человека, улучшает чувствительность клеток к инсулину, снижает уровень холестерина в крови, способствует появлению раннего чувства насыщения человека пищей, поэтому может использоваться для снижения его веса. Обычные виды крахмала имеют невысокую резистентность, однако, используя отдельные его модификации, можно получать крахмал с более высокой степенью резистентности. Во ВНИИ крахмалопродуктов разработана методика оценки степени резистентности крахмалов, которая использована для исследований в данной работе. В данной статье приведены результаты оценки амилорезистентности экструзионных кукурузных крахмалов разных производителей с определением их углеводного состава. Как известно, под влиянием амилолитических ферментов в крахмале расщепляется преимущественно упорядоченная часть цепей амилозы, поэтому по количеству получаемой при этом глюкозы можно судить о степени резистентности крахмала. В статье приведены результаты оценки резистентности кукурузных крахмалов, подвергнутых влаготермической обработке на вальцовой сушилке и измененных в результате экструзии. Ферментативное расщепление испытуемых крахмалов проводили с использованием панкреатической а-амилазы свиньи фирмы Fluca активностью 16 мг/см3 и амилоглюкозидазы активностью 3000 ед/см3. Гидролиз осуществляли при температуре 37 °С, продолжительность процесса ферментации — от 2 до 60 мин. Углеводный состав гидролизатов определяли на жидкостном хроматографе. Получены данные по содержанию глюкозы в гидролизатах набухающих и экструзион-ных крахмалов при одинаковой продолжительности процесса ферментации. Установлено, что набухающий кукурузный крахмал отличается повышенной резистентностью, содержание глюкозы в гидролизатах этого крахмала не превышает 9,8-21 %. Отмечено, что добавление в процессе сушки некоторых веществ, например ортофосфатов натрия, повышает вязкость крахмала и снижает его резистентность. Экструзионные крахмалы обладают высокой растворимостью в холодной воде, но имеют более низкую резистентность по сравнению с набухающим крахмалом.

Авторы

Коптелова Евгения Кузьминична, канд. техн. наук; Кузьмина Любовь Григорьевна; Лукин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор ВНИИ крахмалопродуктов — филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН,

140051, Московская область, п. Красково, ул. Некрасова, д. 11, vniik@arrisp.ru

influence of the Moisture Heat and Extrusion Heat Treatment of corn Starch on its Resistance

Key words

amylolytic enzymes; starch hydrolysates; liquid chromatography; resistant starch; glucose content; enzymatic resistance.

Abstract

To maintain a healthy lifestyle of a person in the make-up of some dietary products starch is included which is not split by amylolytic enzymes in the digestive tract of a person. Such starch is considered amiloresistant, or just resistant. Resistant starch improves peristalsis of the small intestine of a person, improves cell sensitivity to insulin, reduces cholesterol level in blood, promotes emergence of early feeling of being full of food therefore it can promote for the decrease of his weight. Ordinary starches have low resistance; however, using separate types of its modification, it is possible to receive starch with the increased resistance. In the All-Russian Research Institute of Starch Products there is developed the technique of estimation of the starch resistance degree, which is used for researches in this work. In this article there are given the results of the estimation of an amiloresistance of extrusion corn starches of different producers and the definition of their carbohydrate composition. It is known that at the influence of amylolytic enzymes mainly the regulated part of amy-lose chains in starch is split therefore the degree of starch resistance is estimated the glucose yield. The results of the estimation of the corn starches resistance subjected to a moisture heat treatment on a roller drier and changed after extrusion are given in the article. Enzyme hydrolysis of tested starches was carried out using the Fluca pig pancreatic a-amylase having the activity of 16 mg/cm3 and the amiloglucosidase of 3,000 unit/cm3. The hydrolysis was carried out at 37 °C, fermentation process was within 2-60 min. The carbohydrate composition of hydrolysates was estimated with a liquid chromatograph. Data on the glucose content in hydrolysates of swelling and extrusion starches at the identical time of fermentation are obtained. It is defined that swelling corn starch differs in the increased resistance; the glucose content in hydrolysates of this starch does not exceed 9.8-21 %. It is noted that addition in the course of drying of some substances, for example, of sodium orthophosphates, increases viscosity of starch and reduces its resistance. Extrusion starches are highly cold water soluble, but have lower resistance in comparison with swelling starch.

Authors

Koptelova Evgenia Kuzminichna, Candidate of Technical Sciences;

Kuzmina Lyubov Grigoryevna;

Lukin Nikolay Dmitriyevich,

Doctor of Technical Sciences, Professor

The All-Russian Research Institute of Starch Products —

branch FNTs of Food Systems of V. M. Gorbatov of RAS,

11 Nekrasov St., Kraskovo, Moscow Region, 140051, Russia,

vniik@arrisp.ru