СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АКРИЛАМИДА
METHOD FOR REDUCING ACRYLAMIDE FORMATION

Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу уменьшения количества акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах, что позволяет получать пищевые продукты со значительно сниженным содержанием акриламида. Более точно, изобретение относится к а) ослаблению стенки клеток пищевого продукта, содержащего аспарагин, и б) применению различных уменьшителей содержания акриламида для проникновения через ослабленную клеточную стенку.
Описание уровня техники
Химическое вещество акриламид в форме полимера длительное время применяется в промышленности для очистки воды, усовершенствованной регенерации масел, производства бумаги, во флокулянтах, загустителях, для переработки руды и производства несминаемых тканей. Акриламид используют в виде белых кристаллов без запаха, хорошо растворимых в воде (2155 г/л при 30°С). Синонимами акриламида являются 2-акриламид, этиленкарбоксамид, амид акриловой кислотой и виниламид. Акриламид имеет молекулярную массу 71,08, температуру плавления 84,5°С и температуру кипения 125°С при давлении 25 мм рт.ст.
Совсем недавно было установлено, что акриламид в форме мономера содержится в самых разнообразных пищевых продуктах. В частности, акриламид обнаружен главным образом в пищевых продуктах с высоким содержанием углеводов, подвергнутых нагреву или переработке при высоких температурах. Примеры пищевых продуктов, в которых обнаружено присутствие акриламида, включают кофе, сухие завтраки, печенье, картофельные чипсы, крекер, картофель фри, хлебобулочные изделия и жареное панированное мясо. Подвергнутые нагреву богатые белками пищевые продукты обычно имеют относительно невысокое содержание акриламида, тогда как в богатых углеводами пищевых продуктах обнаружено относительно высокое содержание акриламида по сравнению с необнаруживаемыми количествами в не подвергнутых нагреву и вареных пищевых продуктах. По имеющимся данным содержание акриламида в различных подвергнутых сходной обработке пищевых продуктах составляет 330-2300 (µг/кг) в картофельных чипсах, 300-1100 (µг/кг) в картофеле фри, 120-180 (µг/кг) в кукурузных чипсах и от необнаруживаемых количеств до 1400 (µг/кг) в различных сухих завтраках.
Как считается в настоящее время, акриламид образуется в результате присутствия аминокислот и восстанавливающих сахаров. Например, считается, что большая часть акриламида, содержащегося в жареных пищевых продуктах, образуется в результате реакции между свободным аспарагином, являющимся аминокислотой, которая обычно содержится в сырых овощах, и свободными восстанавливающими сахарами. На долю аспарагина приходится приблизительно 40% всех свободных аминокислот, содержащихся в сыром картофеле, приблизительно 18% всех свободных аминокислот, содержащихся в богатой белками ржи, и приблизительно 14% всех свободных аминокислот, содержащихся в пшенице.
Возможно образование акриламида из аминокислот помимо аспарагина, но это еще не подтверждено с какой-либо степенью достоверности. Например, имеются данные об образовании некоторого количества акриламида по результатам испытаний глутамина, метионина, цистеина и аспарагиновой кислоты в качестве предшественников. Тем не менее, эти данные сложно подтвердить из-за потенциальных примесей аспарагина в исходных аминокислотах. Несмотря на это установлено, что аспарагин является аминокислотой-предшественником, в наибольшей степени отвечающим за образование акриламида.
Поскольку факт содержания акриламида в пищевых продуктах установлен недавно, точный механизм образования акриламида еще не выяснен. Вместе с тем, в настоящее время считается, что наиболее вероятным путем образования акриламида является реакция Майяра. Реакция Майяра давно признана химиками-пищевиками одной из важнейших химических реакций в технологии обработки пищевых продуктов, способной влиять на вкус и аромат, цвет и питательную ценность пищевого продукта. Для реакции Майяра требуется тепло, влага, восстанавливающие сахара и аминокислоты.
Реакция Майяра включает последовательность сложных реакций с образованием множества промежуточных продуктов, но в целом ее можно описать как включающую три стадии. На первой стадии реакции Майяра из сочетания свободной аминогруппы (свободных аминокислот и/или белков) и восстанавливающего сахара (такого как глюкоза) образуются продукты перегруппировки Амадори или Хейнса. На второй стадии происходит расщепление продуктов перегруппировки Амадори или Хейнса посредством альтернативных путей, включающих дезоксикетоальдегиды, деление или расщепление Стрекера. В результате сложной последовательности реакций, включающих дегидратацию, элиминацию, циклизацию, деление и фрагментацию, образуется совокупность вкусовых промежуточных продуктов и вкусовых соединений. Третья стадия реакции Майяра характеризуется образованием коричневых азотистых полимеров и сополимеров. На примере реакции Майяра как вероятного пути образования акриламида на фиг.1 в упрощенной форме проиллюстрированы предполагаемые пути образования акриламида начиная с аспарагина и глюкозы.
Хотя не доказано, что акриламид вреден для людей, его присутствие в пищевых продуктах, в особенности в больших количествах, является нежелательным. Как отмечено ранее, относительно более высокие концентрации акриламида обнаружены в пищевых продуктах, подвергнутых нагреву или тепловой обработке. Снижение содержания акриламида в таких пищевых продуктах можно осуществить путем снижения содержания или исключения соединений-предшественников, из которых образуется акриламид, подавления образования акриламида во время обработки пищевого продукта, расщепления или введения в реакцию акриламида в форме мономера после его образования в пищевом продукте или удаления акриламида из продукта до его употребления. Понятно, каждый пищевой продукт создает особые сложности при решении любой из перечисленных задач. Например, пищевые продукты, которые нарезаны ломтиками и подвергаются тепловой обработке в виде соприкасающихся частей, могут с трудом смешиваться с различными добавками без физического разрушения клеточных структур, которые придают пищевым продуктам их особые характеристики после тепловой обработки. Другие условия обработки конкретных пищевых продуктов также могут быть несовместимыми со стратегиями уменьшения содержания акриламида или крайне осложнять их осуществление.
В качестве примера на фиг.2 проиллюстрированы хорошо известные из уровня техники способы изготовления жареных картофельных чипсов из сырого картофеля. Сырой картофель, который содержит около 80 или более процентов по весу воды, сначала поступает на стадию 21 очистки от кожуры. После очистки сырого картофеля от кожуры он поступает на стадию 22 резания ломтиками. Толщина каждого ломтика картофеля на стадии 22 резания ломтиками зависит от желаемой толщины конечного продукта. Одним из примеров из уровня техники является резание картофеля ломтиками толщиной около 0,053 дюйма. Затем эти ломтики поступают на стадию 23 промывания, на которой с помощью воды с поверхности каждого ломтика удаляют крахмал. Затем промытые ломтики картофеля подают на стадию 24 тепловой обработки. На стадии 24 тепловой обработки обычно жарят ломтики в обжарочном аппарате непрерывного действия, например, при температуре 177°С в течение приблизительно 2,5 минут. На стадии тепловой обработки содержание влаги в чипсах обычно снижается до менее 2% по весу. Например, жареные картофельные чипсы обычно имеют содержание влаги на выходе из обжарочного аппарата приблизительно 1,4% по весу. Затем подвергнутые тепловой обработке картофельные чипсы подают на стадию 25 приправления вкусовыми веществами, на которой во вращающемся барабане в них добавляют вкусовые вещества. Наконец, приправленные чипсы поступают на стадию 26 расфасовки. На стадии 26 расфасовки обычно подают приправленные чипсы в одно или несколько устройств для взвешивания, из которых чипсы затем поступают в один или несколько вертикальных формовочно-фасовочно-укупорочных автоматов для их расфасовки в гибкие упаковки. После расфасовки продукт направляют на реализацию, и его приобретают потребители.
Небольшие корректировки на некоторых из описанных стадий обработки картофельных чипсов могут привести к значительным изменениям характеристик конечного продукта. Например, увеличение времени пребывания ломтиков в воде на стадии 23 промывания может привести к вымыванию из ломтиков соединений, которые придают конечному продукту вкус и аромат картофеля, цвет и текстуру. Увеличение времени пребывания или повышение температуры на стадии 24 тепловой обработки способно привести к повышению степени обжаривания чипсов в результате реакции Майяра, а также снижению содержания влаги. Если в ломтики картофеля желательно вводить какие-либо ингредиенты до обжаривания, может потребоваться создать механизмы, обеспечивающие впитывание добавляемых ингредиентов во внутренние части ломтиков без разрушения клеточной структуры чипсов или вымывания полезных соединений из ломтиков.
Другим примером подвергаемых нагреву пищевых продуктов, которые создают особые сложности для снижения содержания акриламидов конечном продукте, являются закусочные продукты, которые также могут изготавливаться из теста. Термин "изготавливаемый из полуфабрикатов закусочный продукт" означает закусочный продукт, в котором используется исходный ингредиент, отличающийся от основного и неизмененного исходного вещества, содержащего крахмал. Например, изготавливаемые из полуфабрикатов закусочные продукты включают изготавливаемые из полуфабрикатов картофельные чипсы, в которых в качестве исходного вещества используется дегидрированный картофель, и кукурузные чипсы, в которых в качестве исходного вещества используется кукурузное тесто. Отмечаем, что дегидрированным картофелем может являться картофельная мука, картофельные хлопья, картофельная крупа или дегидрированный картофель в других существующих формах. Подразумевается, что при использовании любых из этих терминов в настоящей заявке в них включены все эти варианты. Лишь в качестве примера, а не для ограничения "изготавливаемые из полуфабрикатов пищевые продукты", в которые может быть добавлен уменьшитель содержания акриламида, включают чипсы тортилья, кукурузные чипсы, картофельные чипсы из картофельных хлопьев и/или свежего картофельного пюре, чипсы из смешанной муки, воздушную кукурузу, воздушную пшеницу, воздушный рис, крекер, хлебные изделия (из ржаной, пшеничной, овсяной, картофельной, муки высшего сорта, муки из цельного зерна и смешанной муки), мягкие и твердые крендели, кондитерские изделия, печенье, гренки, кукурузные тортильи, мучные тортильи, лаваш, круассаны, пироги, маффины, шоколадные кексы, пирожные, бублики, пончики, сухие завтраки, прессованные закусочные продукты, продукты из гранолы, продукты из муки, продукты из кукурузной муки, продукты из кукурузного теста, картофельные хлопья, поленту, взбитые белковые смеси для панировки и тестовые заготовки, охлажденное и замороженное тесто, восстановленные пищевые продукты, подвергнутые обработке и замороженные пищевые продукты, панированные изделия из мяса и овощей, картофельные оладьи, картофельное пюре, тонкие блинчики, блины, вафли, основу для пиццы, арахисовое масло, пищевые продукты, содержащие измельченные и подвергнутые обработке орехи, желе, начинки, плодовые пюре, овощные пюре, алкогольные напитки, такие как пиво и эль, какао, какао-порошок, шоколад, горячий шоколад, сыр, корма для животных, такие как гранулированный корм для собак и кошек, и любые другие пищевые продукты для людей или корма для животных, которые раскатывают или прессуют или которые изготовлены из теста или смешанных ингредиентов. Используемый в описании термин "изготавливаемые из полуфабрикатов пищевые продукты" включает изготавливаемые из полуфабрикатов закусочные продукты согласно вышеприведенному определению. Используемый в описании термин "пищевые продукты" включает все изготавливаемые из полуфабрикатов закусочные продукты и изготавливаемые из полуфабрикатов пищевые продукты согласно вышеприведенному определению.
Как показано на фиг.2, для изготавливаемых из полуфабрикатов картофельных чипсов не требуется стадия 21 очистки от кожуры, стадия 22 резания ломтиками или стадия 23 промывания. Вместо этого для изготавливаемых из полуфабрикатов картофельных чипсов используют, например, картофельные хлопья, которые смешивают с водой и другими ингредиентами, вводимыми в малых дозах, чтобы получить тесто. Затем тесто раскатывают и режут, после чего приступают к стадии тепловой обработки. Стадия тепловой обработки может включать обжаривание или выпекание. Затем чипсы поступают на стадию приправления вкусовыми веществами и стадию расфасовки. При перемешивании картофельного теста в него можно легко добавлять другие ингредиенты, как в случае большинства, если не всех изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктов.
В отличие от этого, для добавления ингредиентов в сырой пищевой продукт, такой как ломтики картофеля, необходимо найти механизм, позволяющий ингредиентам проникать в клеточную структуру продукта. Тем не менее, добавление любых ингредиентов на стадии перемешивания должно осуществляться с учетом того, что ингредиенты могут отрицательно влиять на раскатку, прессование или другие процессы обработки теста, а также на характеристики готовых чипсов.
Желательно создать один или несколько способов снижения содержания акриламида в подвергнутых нагреву или тепловой обработке конечных пищевых продуктах. В идеале, такой способ должен преимущественно снижать содержание акриламида или исключать его из конечного продукта без отрицательного влияния на качество и характеристики конечного продукта. Кроме того, способ должен быть простым для осуществления и предпочтительно незначительно увеличивать или не увеличивать общие производственные издержки.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу предлагаемого изобретения положена задача уменьшения содержания акриламида в пищевых продуктах. Согласно одной из особенностей это снижение содержания акриламида в пищевых продуктах достигается путем ослабления клеточных стенок пищевого продукта растительного происхождения и введения аспарагина, являющегося предшественником акриламида, в контакт внутри клеточных стенок с уменьшителем содержания аспарагина с целью усиления разрушения предшественника акриламида. Например, для проникновения через клеточную стенку, ослабленную с помощью ультразвуковой энергии, используют аспарагиназу, которая является одним из ферментов, гидролизующих аспарагин. С целью уменьшения содержания акриламида аспарагиназа также может применяться в сочетании с различными аминокислотами, многовалентными катионами и свободными тиолами. Ослабление клеточных стенок и введение клеточных стенок в контакт с уменьшителем содержания аспарагина может осуществляться последовательно или одновременно. Кроме того, механизмы ослабления клеточных стенок могут использоваться по отдельности или в сочетании. Например, клеточная стенка может быть ослаблена энергией сверхвысокочастотного излучения с последующим применением перепада давлений. Упомянутые, а также дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из следующего далее подробного описания.
Краткое описание чертежей
В прилагаемой формуле изобретения содержатся элементы новизны, считающиеся характеризующими изобретение. Вместе с тем, само изобретение, а также предпочтительный вариант его применения, его дополнительные задачи и преимущества будут лучше всего поняты при рассмотрении следующего далее подробного описания наглядных вариантов осуществления в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
на фиг.1 в упрощенной форме проиллюстрированы предполагаемые пути образования акриламида начиная с аспарагина и глюкозы,
на фиг.2 проиллюстрированы хорошо известные из уровня техники способы изготовления жареных картофельных чипсов из сырого картофеля,
на фиг.3А и 3Б проиллюстрированы способы изготовления закусочного продукта из полуфабрикатов согласно двум различным вариантам осуществления изобретения,
на фиг.4 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида по результатам серии испытаний с добавлением цистеина и лизина,
2
на фиг.5 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида по результатам серии испытаний, в ходе которых CaCl сочетали с фосфорной кислотой или лимонной кислотой,
2
на фиг.6 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида по результатам серии испытаний с добавлением CaCl и фосфорной кислоты в картофельные хлопья с различным уровнем содержания восстанавливающих сахаров,
2
на фиг.7 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида по результатам серии испытаний с добавлением CaCl и фосфорной кислоты в картофельные хлопья,
2
на фиг.8 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида по результатам серии испытаний с добавлением CaCl и лимонной кислоты в смесь для изготовления кукурузных чипсов,
2
на фиг.9 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида в картофельных чипсах, изготовленных с добавлением цистеина, хлорида кальция и фосфорной кислоты или лимонной кислоты (обозначения: СС - CaCl, CITRIC - лимонная кислота, CYST - цистеин, PHOSA - фосфорная кислота),
2
2
2
на фиг.10 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида в картофельных чипсах при добавлении хлорида кальция и фосфорной кислоты на стадии получения хлопьев или стадии изготовления чипсов (обозначения: NO Са - отсутствие CaCl, LO PHOS - низкое содержание фосфорной кислоты, LO Са - низкое содержание CaCl, HI Са - высокое содержание CaCl, HI PHOS - высокое содержание фосфорной кислоты),
на фиг.11 наглядно проиллюстрировано влияние аспарагиназы и буферизации на содержание акриламида в картофельных чипсах,
на фиг.12 наглядно проиллюстрировано содержание акриламида в картофельных чипсах, обжаренных в масле с добавлением розмарина,
на фиг.13 наглядно проиллюстрировано влияние добавления окислителя или восстановителя в уменьшитель содержания акриламида, содержащий свободный тиол,
на фиг.14 наглядно проиллюстрировано влияние на содержание акриламида многовалентных катионов, снижающих рН,
на фиг.15 наглядно проиллюстрировано влияние на рН хлорида кальция или хлорида натрия в 0,5 моля фосфатного буфера и 0,5 моля ацетатного буфера.
Подробное описание
Для образования акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах необходим источник углерода и источник азота. Предполагается, что источником углерода являются углеводы, а источником азота являются белки или аминокислоты. Многие пищевые продукты растительного происхождения, такие как рис, пшеница, кукуруза, ячмень, соя, картофель и овес, содержат аспарагин и имеют преобладающее содержание углеводов и незначительное содержание аминокислот. Обычно такие пищевые продукты содержат небольшую группу аминокислот, в которую помимо аспарагина входят другие аминокислоты.
Термин "подвергнутый тепловой обработке" означает пищевой продукт или ингредиенты пищевого продукта, компоненты которого, такие как смесь ингредиентов, нагревают до температуры по меньшей мере 80°С. Тепловая обработка пищевого продукта или его ингредиентов предпочтительно происходит при температуре от около 100 до 205°С. Какой-либо ингредиент пищевого продукта может быть подвергнут тепловой обработке отдельно при повышенной температуре до получения конечного пищевого продукта. Одним из примеров подвергнутого тепловой обработке ингредиента пищевого продукта являются картофельные хлопья, которые получают из сырого картофеля способом, в котором картофель нагревают до температуры, достигающей 170°С. (Термины "картофельные хлопья", "картофельная крупа" и "картофельная мука" используются в описании взаимозаменяемо и означают дегидрированный продукт на основе картофеля.) Примеры других подвергнутых тепловой обработке ингредиентов пищевого продукта включают подвергнутый обработке овес, пропаренный и высушенный рис, подвергнутые тепловой обработке продукты на основе сои, кукурузное тесто, обжаренные кофейные зерна и обжаренные какао-бобы. В качестве альтернативы, для получения конечного пищевого продукта с использованием стадии тепловой обработки могут использоваться сырые ингредиенты. Одним из примеров обработки сырья, когда конечный пищевой продукт получают на стадии тепловой обработки, является изготовление картофельных чипсов из ломтиков сырого картофеля на стадии обжаривания при температуре от около 100 до около 205°С или изготовление картофеля фри, который обжаривают при сходных температурах. Как указано в настоящем описании, подвергнутые тепловой обработке пищевые продукты включают в качестве примера и без ограничения все пищевые продукты, ранее перечисленные в качестве примеров изготавливаемых из полуфабрикатов закусочных продуктов и изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктов, а также картофель фри, сладкий картофель фри, другие клубнеплоды или корнеплоды, подвернутые тепловой обработке овощи, включая подвергнутую тепловой обработке спаржу, лук и томаты, кофейные зерна и какао-бобы, подвергнутое тепловой обработке мясо, дегидрированные плоды и овощи, подвергнутый тепловой обработке корм для животных, табак, чай, обжаренные или подвергнутые тепловой обработке орехи, соевые бобы, мелассу, соусы, такие как соус для барбекю, банановые чипсы, яблочные чипсы, обжаренные во фритюре бананы и другие подвергнутые тепловой обработке плоды.
Тем не менее, в настоящем изобретении установлено, что значительное образование акриламида происходит, когда аминокислоту аспарагин нагревают в присутствии восстанавливающего сахара. Нагрев других аминокислот, таких как лизин и аланин, в присутствии восстанавливающего сахара, такого как глюкоза, не приводит к образованию акриламида. Однако, как ни удивительно, при добавлении других аминокислот в смесь аспарагина и сахара количество образующегося акриламида может увеличиваться или уменьшаться.
Зная, что быстрое образование акриламида происходит, когда аспарагин нагревают в присутствии восстанавливающего сахара, можно добиться уменьшения содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах путем инактивирования. Под "инактивированием" подразумевается удаление аспарагина из пищевого продукта или лишение аспарагина способности образовывать акриламид путем его преобразования или связывания с другим химическим веществом, которое препятствует образованию акриламида из аспарагина.
I Влияние цистеина, лизина, глутамина и глицина на образование акриламида
Поскольку аспарагин вступает в реакцию с глюкозой, в результате чего образуется акриламид, можно путем увеличения концентрации других свободных аминокислот влиять на реакцию между аспарагином и глюкозой и уменьшать образование акриламида. Для этого эксперимента был получен раствор аспарагина (0,176%) и глюкозы (0,4%) в буфере на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0. Было добавлено четыре других аминокислоты: глицин (GLY), лизин (LYS), глутамин (GLN) и цистеин (CYS) в той же молярной концентрации, что и глюкоза. Эксперимент проводился согласно факторному полному плану без повторения, поэтому были испытаны все возможные сочетания добавляемых аминокислот. Растворы в течение 40 минут держали нагретыми до 120°С, после чего измеряли содержание акриламида. Концентрации и результаты приведены далее в таблице 1.
Таблица 1
Влияние цистеина, лизина, глутамина и глицина на образование акриламида
Глюкоза
ASN
GLY
LYS
GLN
CYS
Акриламид
Номер
%
%
%
%
%
%
ч./млрд
1
0,4
0,176
0
0
0
0
1679
2
0,4
0,176
0
0
0
0,269
4
3
0,4
0,176
0
0
0,324
0
5378
4
0,4
0,176
0
0
0,324
0,269
7
5
0,4
0,176
0
0,325
0
0
170
6
0,4
0,176
0
0,325
0
0,269
7
7
0,4
0,176
0
0,325
0,324
0
1517
8
0,4
0,176
0
0,325
0,324
0,269
7
9
0,4
0,176
0,167
0
0
0
213
10
0,4
0,176
0,167
0
0
0,269
6
11
0,4
0,176
0,167
0
0,324
0
2033
12
0,4
0,176
0,167
0
0,324
0,269
4
13
0,4
0,176
0,167
0,325
0
0
161
14
0,4
0,176
0,167
0,325
0
0,269
4
15
0,4
0,176
0,167
0,325
0,324
0
127
16
0,4
0,176
0,167
0,325
0,324
0,269
26
Как показано выше в таблице, при добавлении глюкозы и аспарагина без добавления какой-либо другой аминокислоты содержание акриламида составляло 1679 ч./млрд. При добавлении аминокислот получали результат трех типов.
1) Цистеин почти исключал образование акриламида. Во всех случаях добавления цистеина содержание акриламида не превышало 25 ч./млрд (снижение на 98%).
2) Лизин и глицин уменьшали образование акриламида, но не в такой степени, как цистеин. Во всех случаях добавления лизина и/или глицина, но без добавления глутамина и цистеина содержание акриламида составляло менее 220 ч./млрд (снижение на 85%).
3) Как ни удивительно, в результате добавления глутамина образование акриламида увеличивалось до 5378 ч./млрд (увеличение на 200%). При добавлении глутамина плюс цистеин не происходило образование акриламида. В результате добавления глицина и лизина в глутамин образование акриламида уменьшалось.
Эти испытания продемонстрировали эффективность цистеина, лизина и глицина при уменьшении образования акриламида. Вместе с тем, результаты добавления глутамина продемонстрировали, что не все аминокислоты эффективны при уменьшении образования акриламида. Сочетание цистеина, лизина или глицина с аминокислотой, которая сама по себе способна ускорять образование акриламида (такой как глутамин), также может уменьшать образование акриламида.
II Влияние цистеина, лизина, глутамина и метионина при различных концентрациях и температурах
Как указано выше, цистеин и лизин уменьшают образование акриламида при добавлении в такой же концентрации, что и глюкоза. Был разработан последующий эксперимент, чтобы ответить на следующие вопросы:
1. Как цистеин, лизин, глутамин и метионин в меньших концентрациях влияют на образование акриламида?
2. Является ли влияние добавляемого цистеина и лизина таким же, когда раствор нагревают до температуры 120 и 150°С?
Был получен раствор аспарагина (0,176%) и глюкозы (0,4%) в буфере на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0. Были добавлены аминокислоты (цистеин (CYS), лизин (LYS), глутамин (GLN) или метионин (МЕТ)) в двух концентрациях. Две концентрации составляли 0,2 и 1,0 моль аминокислоты на моль глюкозы. В ходе половины испытаний 2 мл растворов в течение 40 минут держали нагретыми до 120°С; в ходе другой половины 2 мл растворов в течение 15 минут держали нагретыми до 150°С. После нагрева определяли содержание акриламида методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии, результаты которой приведены в таблице 2. Контрольным веществом являлся раствор аспарагина и глюкозы без добавления аминокислот.
При испытаниях с использованием цистеина и лизина содержание акриламида в контрольном растворе составляло 1332 ч./млрд через 40 минут при 120°С и 3127 ч./млрд через 15 минут при 150°С. Цистеин и лизин уменьшали образование акриламида при 120°С и 150°С, при этом снижение содержания акриламида приблизительно пропорционально концентрации добавляемого цистеина или лизина.
При испытаниях с использованием глутамина и метионина содержание акриламида в контрольном растворе составляло 1953 ч./млрд через 40 минут при 120°С и 3866 ч./млрд через 15 минут при 150°С. Глутамин увеличивал образование акриламида при 120°С и 150°С. Метионин в концентрации 0,2 моля на моль глюкозы не влиял на образование акриламида. Метионин в концентрации 1,0 моль на моль глюкозы уменьшал образование акриламида менее чем на 50%.
III Влияние девятнадцати аминокислот на образование акриламида в растворе глюкозы и аспарагина
Выше описано влияние четырех аминокислот (лизина, цистеина, метионина и глутамина) на образование акриламида. Было испытано 15 дополнительных аминокислот. Был получен раствор аспарагина (0,176%) и глюкозы (0,4%) в буфере на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0. Пятнадцать аминокислот добавляли в той же молярной концентрации, что и глюкозу. Контрольным веществом являлся раствор аспарагина и глюкозы без добавления какой-либо другой аминокислоты. Растворы в течение 40 минут держали нагретыми до 120°С, после чего определяли содержание акриламида методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии. Результаты приведены далее в таблице 3.
Таблица 3
Влияние других аминокислот на образование акриламида
Образование акриламида
Аминокислота
ч./млрд
% контроля
Контроль
959
100
Гистидин
215
22
Аланин
478
50
Метионин
517
54
Глутаминовая кислота
517
54
Аспарагиновая кислота
529
55
Пролин
647
67
Фенилаланин
648
68
Валин
691
72
Аргинин
752
78
Триптофан
1059
111
Треонин
1064
111
Тирозин
1091
114
Лейцин
1256
131
Серин
1296
135
Изолейцин
1441
150
Как показано в таблице 3, ни одна из пятнадцати дополнительных аминокислот не оказывала такого влияния на уменьшение образования акриламида, как цистеин, лизин или глицин. Девять из дополнительных аминокислот снижали содержание акриламида на 22-78% от уровня контроля, а шесть аминокислот повышали содержание акриламида на 111-150% от уровня контроля.
Далее в таблице 4 показаны результаты для всех аминокислот, которые приведены в порядке их эффективности. Цистеин, лизин и глицин являлись эффективными ингибиторами, при этом количество образующегося акриламида составляло менее 15% от его количества в случае контрольного раствора. Следующие девять аминокислот являлись менее эффективными ингибиторами, при этом общее образование акриламида составляло 22-78% от его количества в случае контрольного раствора. Остальные семь аминокислот повышали содержание акриламида. Глутамин вызывал наибольшее увеличение образования акриламида, составлявшее 320% от уровня контрольного раствора.
Таблица 4
Образование акриламида в присутствии 19 аминокислот
В % контрольного раствора
Контроль
100%
Цистеин
0%
Лизин
10%
Глицин
13%
Гистидин
22%
Аланин
50%
Метионин
54%
Глутаминовая
54%
Аспарагиновая
55%
Пролин
67%
Фенилаланин
68%
Валин
72%
Аргинин
78%
Триптофан
111%
Треонин
111%
Тирозин
114%
Лейцин
131%
Серин
135%
Изолейцин
150%
Глутамин
320%
IV Картофельные хлопья с добавлением 750 ч./млн L-цистеина
Были изготовлены картофельные хлопья для испытания с добавлением 750 ч./млн (частей на миллион) L-цистеина. Контрольные картофельные хлопья не содержали добавленного L-цистеина. В стеклянную пробирку поместили три грамма картофельных хлопьев. После плотного укупоривания пробирку в течение 15 или 40 минут держали нагретой до 120°С. Содержание акриламид определяли методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии в частях на миллиард (ч./млрд).
Таблица 5
Снижение содержания акриламида с течением времени при добавлении цистеина
Картофельные хлопья
Акриламид (ч./млрд) через 15 мин при 120°С
Снижение содержания акриламида через 15 мин
Акриламид (ч./млрд) через 40 мин при 120°С
Снижение содержания акриламида через 40 мин
(b)
1662
-
9465
-
750 ч./млн цистеина
653
60%
7529
20%
V Изготавливаемые из полуфабрикатов печеные картофельные чипсы
С учетом приведенных выше результатов были разработаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, в которых в состав изготавливаемого из полуфабрикатов закусочного продукта, в данном случае изготавливаемых из полуфабрикатов печеных картофельных чипсов, добавляли цистеин или лизин. Технология изготовления этого продукта проиллюстрирована на фиг.3А. На стадии 30 изготовления теста смешивают картофельные хлопья, воду и другие ингредиенты, чтобы получить тесто. (Термины "картофельные хлопья", "картофельная крупа" и "картофельная мука" используются в описании взаимозаменяемо, при этом подразумевается, что все они охватывают все составы из сухих хлопьев или порошка независимо от размера частиц.) На стадии 31 раскатки тесто пропускают через тестовальцовочную машину, которая раскатывает тесто, а затем режет на отдельные куски. На стадии 32 тепловой обработки куски теста выпекают до достижения заданного цвета и содержания воды. Затем полученные чипсы приправляют на стадии 33 приправления вкусовыми веществами 33 и направляют на стадию 34 расфасовки.
Первый вариант осуществления изобретения показан применительно к описанной выше технологии. Чтобы проиллюстрировать этот вариант осуществления, проводится сравнение контрольной партии и опытной партии, в которую добавлен цистеин в одной из трех концентраций или лизин в одной концентрации.
Таблица 6
Влияние лизина и различных уровней содержания цистеина на уровень содержания акриламида
Ингредиент
Контроль
Цистеин #1
Цистеин #2
Цистеин #3
Лизин
Картофельные хлопья и модифицированный крахмал (г)
5496
5496
5496
5496
5496
Сахар (г)
300
300
300
300
300
Масло (г)
90
90
90
90
90
Разрыхлитель теста (г)
54
54
54
54
54
Эмульгатор (г)
60
60
60
60
60
L-цистеин (растворенный в воде) (Предполагается, что D-изомер или рацемическая смесь D- и L-изомеров аминокислот обладает такой же эффективностью, хотя наилучшим и наименее дорогостоящим источником, вероятно, является L-изомер.) (г)
0
1,8
4,2
8,4
0
Хлористоводородный L-лизин (г)
0
0
0
0
42
Общая сухая масса (г)
6000
6001,8
6004,2
6008,4
6042
Вода (мл)
3947
3947
3947
3947
3947
Измерения после тепловой обработки чипсов
H<sub>2</sub>O, %
2,21
1,73%
2,28%
2,57%
2,68%
Масло, %
1,99
2,15%
2,05%
2,12%
1,94%
Акриламид (ч./млрд)
1030
620
166
104
456
Цвет
L
72,34
76,53
79,02
78,36
73,2
А
1,99
-1,14
-2,02
-2,14
1,94
В
20,31
25,52
23,2
23,0
25,77
Во всех партиях сначала смешивали друг с другом сухие ингредиенты, а затем в каждую сухую смесь добавляли масло и перемешивали. Цистеин или лизин растворяли в воде, а затем добавляли в тесто. Уровень влажности теста до раскатки составлял от 40% до 45% по весу. Тесто раскатывали в листы толщиной от 0,020 до 0,030 дюйма, разрезали на куски по размеру чипсов и выпекали.
После тепловой обработки определяли содержание влаги, масла и цвет по шкале L-А-В Хантера. По результатам испытания образцов определили содержание акриламида в конечном продукте. Результаты этих испытаний приведены выше в таблице 6.
Содержание акриламида в контрольных чипсах после окончательной тепловой обработки составляло 1030 ч./млрд. В результате добавления как цистеина при всех проверенных уровнях содержания, так и лизина значительно снижалось окончательное содержание акриламида. На фиг.4 в графической форме представлены полученные данные содержания акриламида. Уровень содержания акриламида в каждом образце отображен столбиком 402 с тенью. Под каждым столбиком указано испытание, а в левой части чертежа показана шкала содержания акриламида. Для каждого испытания также показан уровень содержания влаги в изготовленных чипсах, который отображен одиночной точкой 404. Значения этих точек 404 калиброваны в масштабе процентного содержания влаги, показанного в правой части чертежа. Для большей наглядности отдельные точки 404 соединены линией 406. С учетом заметного влияния более низкого содержания влаги на уровень содержания акриламида важно отмечать уровень содержания влаги, чтобы надлежащим образом оценивать действие любых уменьшителей содержания акриламида. Используемый в описании термин "уменьшитель содержания акриламида" означает добавку, которая снижает содержание акриламида в подвергнутом тепловой обработке конечном продукте по сравнению с тем же конечным продуктом, в который она не была добавлена.
В результате добавления цистеина или лизина в тесто значительно снижается уровень содержания акриламида в конечном продукте. Как показывают образцы, содержащие цистеин, уровень содержания акриламида снижается приблизительно прямо пропорционально количеству добавляемого цистеина. Вместе с тем, необходимо учитывать побочные воздействия на характеристики (такие как цвет, вкус и текстура) конечного продукта в результате добавления аминокислоты в технологический процесс.
2
2
Также были проведены дополнительные испытания с добавлением цистеина, лизина и сочетаний каждой из двух аминокислот с CaCl. В этих испытаниях применяли такую же методику, что и в описанных выше испытаниях, но использовали картофельные хлопья с различными уровнями содержания восстанавливающих сахаров и различными количествами добавляемых аминокислот и CaCl. Как показано далее в таблице 7, картофельные хлопья из 1-й партии содержали 0,81% восстанавливающих сахаров (в этой части таблицы представлены результаты описанного выше испытания), из 2-й партии - 1,0% и из 3-й партии - 1,8% восстанавливающих сахаров.
Таблица 7
Влияние цистеина, лизина, восстанавливающих сахаров при меняющейся концентрации
Восстанавливающий сахар, %
CaCl<sub>2</sub>, % по весу сухого остатка
Цистеин ч./млн сухого остатка
Лизин, % сухого остатка
Конечный % по весу H<sub>2</sub>O
Конечное цветное число
Акриламид ч./млрд
0,81
0
0
0
2,21
72,34
1030
0,81
0
300
0
1,73
76,53
620
0,81
0
700
0
2,28
79,02
166
0,81
0
1398
0
2,57
78,36
104
0,81
0
0
0,685
2,68
73,20
456
1,0
0
0
0
1,71
72,68
599
1,0
0
0
0
1,63
74,44
1880
1,0
0
0
0
1,69
71,26
1640
1,0
0
0
0
1,99
71,37
1020
1,0
0
700
0
2,05
75,81
317
1,0
0,646
0
0,685
1,74
73,99
179
1,8
0
0
0
1,80
73,35
464
1,8
0
0
0
1,61
72,12
1060
1,8
0
700
0
1,99
75,27
290
1,8
0
1398
0
1,96
75,87
188
1,8
0
0
0,685
1,90
76,17
105
1,8
0,646
0
0,685
2,14
75,87
47
1,8
0,646
700
0
1,83
77,23
148
Как следует из данных, приведенных в этой таблице, в результате добавления цистеина или лизина обеспечивается значительное снижение содержания акриламида при содержании восстанавливающих сахаров на каждом протестированном уровне. В результате добавления сочетания лизина и хлорида кальция обеспечивалась почти полная элиминация образующегося акриламида, несмотря на то что это испытание проводилось при самом высоком уровне содержания восстанавливающих сахаров.
VI Испытания ломтиков жареных картофельных чипсов
Сходный результат может быть достигнут с использованием картофельных чипсов, изготовленных из ломтиков картофеля. Тем не менее, желаемую аминокислоту невозможно просто смешать с ломтиками картофеля, как в проиллюстрированных выше вариантах осуществления, поскольку при этом нарушилась бы целостность ломтиков. В одном из вариантов осуществления ломтики картофеля погружают в водный раствор, содержащий желаемую добавляемую аминокислоту, на время, достаточное для того, чтобы аминокислота переместилась в клеточную структуру ломтиков картофеля. Это может быть сделано, например, на стадии 23 промывания, проиллюстрированной на фиг.2.
Далее в таблице 8 приведены результаты добавления 1% по весу цистеина во время обработки путем промывания на стадии 23, описанной выше со ссылкой на фиг.2. Промывание осуществляли при комнатной температуре в течение указанного времени; при контрольной обработке в воду ничего не добавляли. Чипсы обжаривали в хлопковом масле при 178°С в течение указанного времени.
Таблица 8
Влияние цистеина, содержащегося в воде для промывания ломтиков картофеля, на акриламид
Время обжаривания (секунды)
Конечный % по весу H<sub>2</sub>O
Конечный % по весу масла
Конечное содержание акриламида
Контроль - промывание 2-3 мин
140
1,32%
42,75%
323 ч./млрд
1% цистеин - промывание 15 мин
140
0,86%
45,02%
239 ч./млрд
(с) Контроль - промывание 2-3 мин
110
1,72%
40,87%
278 ч./млрд
Контроль - промывание 15 мин
110
1,68%
41,02%
231 ч./млрд
1% цистеин - промывание 15 мин
110
1,41%
44,02%
67 ч./млрд
Как показано в этой таблице, погружения ломтиков картофеля толщиной 0,053 дюйма на 15 минут в водный раствор, содержащий 1% по весу цистеина, достаточно для снижения содержания акриламида в конечном продукте на величину порядка 100-200 ч./млрд.
Изобретение также было испытано путем добавления цистеина в кукурузное тесто для чипсов тортилья. Растворенный L-цистеин добавляли в подвергнутую тепловой обработке кукурузу на стадии перемешивания, чтобы цистеин равномерно распределился по кукурузному тесту, получаемому во время перемешивания. При добавлении 600 ч./млн L-цистеина содержание акриламида снижалось с 190 ч./млрд в контрольном продукте до 75 ч./млрд в обработанном L-цистеином продукте.
2
В предложенном изобретении может использоваться любое число аминокислот при условии внесения поправок на побочные воздействия дополнительного(-ых) ингредиента(-ов), такие как изменения цвета, вкуса и текстуры пищевого продукта. Хотя в описанных примерах используются α-аминокислоты (у которых группа -NH присоединена к альфа-углеродному атому), заявители предполагают, что также могут использоваться другие изомеры, такие как β- или γ-аминокислоты, хотя β- и γ-аминокислоты обычно не применяются в качестве пищевых добавок. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используется цистеин, лизин и/или глицин. Тем не менее, также могут использоваться другие аминокислоты, такие как гистидин, аланин, метионин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, пролин, фенилаланин, валин и аргинин. Такие аминокислоты, в частности цистеин, лизин и глицин, являются относительно недорогими и широко применяются в качестве пищевых добавок в некоторых пищевых продуктах. С целью уменьшения количества акриламида в конечном пищевом продукте эти предпочтительные аминокислоты могут использоваться по отдельности или в сочетании. Кроме того, аминокислота может добавляться в пищевой продукт до его нагрева, для чего в исходное сырье пищевого продукта добавляют имеющуюся в продаже аминокислоту или другой пищевой ингредиент с высокой степенью концентрации свободной аминокислоты. Например, казеин содержит свободный лизин, а желатин содержит свободный глицин. Таким образом, когда в описании говорится, что в состав пищевого продукта добавляют аминокислоту, подразумевается, что может быть добавлена имеющаяся в продаже аминокислота или пищевой продукт с высокой степенью концентрации свободной(-ых) аминокислоты(-т), превышающей естественный уровень содержания аспарагина в пище.
Количество аминокислоты, которую следует добавлять в пищу для снижения содержания акриламида до приемлемого уровня, можно отобразить несколькими способами. Промышленно приемлемое количество добавляемой аминокислоты должно быть достаточным для снижения конечного показателя образования акриламида по меньшей мере на двадцать процентов (20%) по сравнению с продуктом, который не был соответствующим образом обработан. Более предпочтительно, снижение показателя образования акриламида должно составлять от тридцати пяти до девяноста пяти процентов (35-95%). Еще более предпочтительно, снижение показателя образования акриламида должно составлять от пятидесяти до девяноста пяти процентов (50-95%). В одном из предпочтительных вариантов осуществления обнаружено, что для снижения содержания акриламида может являться эффективным добавление по меньшей мере 100 ч./млн цистеина. Тем не менее, предпочтительное количество добавляемого цистеина составляет от 100 до 10000 ч./млн, при этом наиболее предпочтительное количество составляет около 1000 ч./млн. В предпочтительных вариантах осуществления с использованием других эффективных аминокислот, таких как лизин и глицин, обнаружено, что эффективное для уменьшения образования акриламида молярное соотношение добавляемой аминокислоты и восстанавливающего сахара, присутствующего в продукте, составляет по меньшей мере 0,1 моля аминокислоты на один моль восстанавливающих сахаров (0,1:1). Более предпочтительно, молярное соотношение добавляемой аминокислоты и восстанавливающих сахаров должно составлять от 0,1:1 до 2:1, наиболее предпочтительно, около 1:1.
В настоящее время не известны механизмы, посредством которых выбранные аминокислоты уменьшают количество акриламида. Возможные механизмы включают конкуренцию за реагент и растворение предшественника, в результате чего образуется меньше акриламида, и механизм реакции с акриламидом для его разрушения. Возможные механизмы включают (1) ингибирование реакции Майяра, (2) потребление глюкозы и других восстанавливающих сахаров и (3) реакцию с акриламидом. Цистеин, имеющий свободную тиоловую группу, действует как ингибитор реакции Майяра. Поскольку считается, что акриламид образуется из аспарагина посредством реакции Майяра, цистеин должен снижать скорость протекания реакции Майяра и образования акриламида. Лизин и глицин быстро вступают в реакцию с глюкозой и другими восстанавливающими сахарами. Если глюкоза будет потребляться лизином и глицином, уменьшится количество глюкозы, вступающей в реакцию аспарагином, в результате которой образуется акриламид. Аминогруппа аминокислот способна вступать в реакцию с двойной связью акриламида, что называется реакцией Майкла. Свободный тиол цистеина также способен вступать в реакцию с двойной связью акриламида.
Следует понимать, что в результате добавления аминокислоты могут происходить отрицательные изменения характеристик конечного продукта, такие как изменения цвета, вкуса и текстуры. В соответствии с настоящим изобретением эти изменения характеристик продукта могут быть компенсированы различными иными средствами. Например, цветовые характеристики картофельных чипсов могут быть скорректированы путем регулирования количества сахаров в исходном продукте. Некоторые вкусоароматические характеристики могут быть изменены путем добавления в конечный продукт различных ароматизирующих веществ. Физическая текстура продукта может быть скорректирована, например, путем добавления разрыхлителя теста или различных эмульгаторов.
VII Влияние двух- и трехвалентных катионов на образование акриламида
В другом варианте осуществления изобретения образование акриламида уменьшают путем добавления в состав закусочного продукта двухвалентного или трехвалентного катиона до кулинарной или тепловой обработки этого закусочного продукта. Специалистам-химикам известно, что катионы существуют не изолированно, а в присутствии аниона, имеющего такую же валентность. Хотя в описании речь идет о соли, содержащей двухвалентный или трехвалентный катион, считается, что именно катион, присутствующий в соли, обеспечивает уменьшение образования акриламида путем уменьшения растворимости аспарагина в воде. Эти катионы также именуются в описании катионами с валентностью, равной по меньшей мере двум. Интересно, что одновалентные катионы не применимы в настоящем изобретении. При выборе соответствующего соединения, содержащего катион с валентностью, равной по меньшей мере двум, в сочетании с анионом, важными факторами являются растворимость в воде, безвредность в пищевых продуктах и минимальное изменение характеристик конкретного пищевого продукта. Могут использоваться сочетания различных солей, даже если они рассматриваются в настоящем описании лишь как отдельные соли.
С химической точки зрения валентность атома является показателем его способности образовывать сочетания с другими элементами. В частности, двухвалентный атом обладает способностью образовывать две ионные связи с другими атомами, тогда как трехвалентный атом способен образовывать три ионные связи с другими атомами. Катион представляет собой положительно заряженный ион, то есть атом, который в результате потери одного или нескольких электронов получил положительный заряд. В таком случае двухвалентный или трехвалентный катион представляет собой положительно заряженный ион с двумя или тремя доступными ионными связями соответственно.
Для определения влияния двухвалентных или трехвалентных катионов на образование акриламида могут использоваться простые моделированные системы. В результате нагрева аспарагина и глюкозы в молярном соотношении 1:1 может образовываться акриламид. Количественное сравнение содержания акриламида при добавлении и без добавления соли является показателем способности соли стимулировать или подавлять образование акриламида. Были применены два способа получения и нагрева образцов. Согласно одному способу смешивали сухие компоненты, добавляли такое же количество воды и нагревали смесь в неплотно закрытой пробирке. По мере испарения большей части воды при нагреве, воспроизводящем условия кулинарной обработки, происходило концентрирование реагентов. Могут образовываться густые сиропы или вязкие составы, затрудняющие извлечение акриламида. Результаты этих испытаний показаны далее в Примерах 1 и 2.
Второй способ с использованием сосудов высокого давления позволяет проводить более контролируемые эксперименты. Растворы испытуемых компонентов смешивали и нагревали под давлением. Испытуемые компоненты могут добавляться в концентрациях, в которых они содержатся в пищевых продуктах, а буферы способны воспроизводить рН обычных пищевых продуктов. В ходе этих испытаний не происходит испарение воды, что упрощает извлечение акриламида, как это показано далее в Примере 3.
VIII Двухвалентные, трехвалентные катионы снижают содержание акриламида, а одновалентные - нет
В 1-м Примере 20-мл стеклянную пробирку с моногидратом L-аспарагина (0,15 г, 1 ммоль), глюкозой (0,2 г, 1 ммоль) и водой (0,4 мл) закрыли алюминиевой фольгой и нагрели в газохроматографической печи, запрограммированной на нагрев от 40 до 220°С со скоростью 20°С в минуту, поддержание температуры 220°С в течение двух минут и охлаждение от 220 до 40°С со скоростью 20°С в минуту. Остаток извлекли с помощью воды и подвергли анализу на содержание акриламида методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии (GC-MS). По результатам анализа содержание акриламида составило приблизительно 10000 ч./млрд (частей на миллиард). Были нагреты и подвергнуты анализу две дополнительные пробирки с моногидратом L-аспарагина (0,13 г, 1 ммоль), глюкозой (0,2 г, 1 ммоль), безводным хлоридом кальция (0,1 г, 1 ммоль) и водой (0,4 мл). По результатам анализа содержание акриламида составило 7 и 30 ч./млрд, то есть снизилось более чем на девяносто девять процентов.
С учетом того, что соли кальция неожиданно сильно уменьшают образование акриламида, было проведено их дальнейшее исследование и установлено, что сходным эффектом обладают двухвалентные и трехвалентные катионы (магния, алюминия). Отмечаем, что в результате сходных экспериментов с одновалентными катионами, т.е. 0,1/0,2 г бикарбоната натрия и карбоната аммония (в виде карбамата аммония и бикарбоната аммония), образование акриламида увеличивалось, что следует из таблицы 9 ниже.
Таблица 9
Соль
Микромоли соли
Микромоли акриламида после нагрева, ч./млрд
Отсутствует (контроль)
0
9857
Бикарбонат натрия
1200
13419
Карбонат аммония
1250
22027
Карбонат аммония
2500
47897
IX Хлорид кальция и хлорид магния
Согласно 2-му Примеру было проведено испытание, сходное с описанным выше, но вместо безводного хлорида кальция использовали хлорид кальция и хлорид магния в двух различных разведениях каждый. Пробирки с моногидратом L-аспарагина (0,15 г, 1 ммоль) и глюкозой (0,2 г, 1 ммоль) смешали с одним из следующих веществ:
0,5 мл воды (контроль),
0,5 мл 10% раствора хлорида кальция (0,5 ммоль),
0,05 мл 10% раствора хлорида кальция (0,05 ммоль) плюс 0,45 мл воды,
0,5 мл 10% раствора хлорида магния (0,5 ммоль) или
0,05 мл 10% раствора хлорида магния (0,05 ммоль) плюс 0,45 мл воды.
Дублирующие образцы нагрели и подвергли анализу, как это описано в 1-м Примере. Усредненные результаты в обобщенном виде приведены далее в таблице 10.
Таблица 10
Влияние хлорида кальция, хлорида магния на содержание акриламида
Соль
Добавляемое количество, микромоли
Образующийся акриламид, микромоли
Снижение содержания акриламида
Отсутствует (контроль)
0
408
0
Хлорид кальция
450
293
27%
Хлорид кальция
45
864
Отсутствует
Хлорид магния
495
191
53%
Хлорид магния
50
2225
Отсутствует
X Влияние рН и буферизации
Как упомянуто выше, испытание согласно 3-му Примеру не предусматривало потерю влаги при испарении, а проводилось под давлением. Пробирки с 2 мл буферизованного исходного раствора (15 ммоль аспарагина, 15 ммоль глюкозы, 500 ммоль фосфата или ацетата) и 0,1 мл раствора соли (1000 ммоль) нагрели в калориметрической бомбе Парра, помещенной в газохроматографическую печь, запрограммированную на нагрев от 40 до 150°С со скоростью 20°С в минуту и поддержание температуры 150°С в течение двух минут. Бомбу извлекли из печи и охладили в течение 10 минут. Содержимое извлекли с помощью воды и методом GC-MS подвергли анализу на содержание акриламида. Для каждого сочетания рН и буфера было проведено контрольное испытание без добавления соли, а также с добавлением трех различных солей. Усредненные результаты повторных испытаний в сводном виде приведены далее в таблице 11.
Таблица 11
Влияние рН и буфера на снижение содержания акриламида с использованием двухвалентных/трехвалентных катионов
(d) Соль с двухвалентным или трехвалентным катионом
pH
(е) Используемый буфер
Акриламид
Снижение содержания акриламида
Добавляемая соль
Контроль
Хлорид кальция
5,5
Ацетат
337
550
19%
Хлорид кальция
7,0
Ацетат
990
1205
18%
Хлорид кальция
5,5
Фосфат
154
300
49%
Хлопил кальиия
7,0
Фосфат
762
855
11%
Хлорид магния
5,5
Ацетат
380
550
16%
Хлорид магния
7,0
Ацетат
830
1205
31%
Хлорид магния
5,5
Фосфат
198
300
34%
Хлорид магния
7,0
Фосфат
773
855
10%
Калийалюминийсульфат
5,5
Ацетат
205
550
31%
Калийалюминийсульфат
7,0
Ацетат
453
1205
62%
Калийалюминийсульфат
5,5
Фосфат
64
300
79%
Калийалюминийсульфат
7,0
Фосфат
787
855
8%
Из трех солей наибольшее снижение содержания акриламида было зафиксировано при использовании ацетата с рН 7 и фосфата с рН 5,5. Только небольшое снижение было зафиксировано при использовании ацетата с рН 5,5 и фосфата с рН 7.
XI Увеличение содержания хлорида кальция снижает содержание акриламида
Согласно результатам, полученным на моделированных системах, было проведено маломасштабное лабораторное испытание, в котором в картофельные хлопья до нагрева добавляли хлорид кальция. В 3 г картофельных хлопьев добавили 3 мл 0,4%, 2% или 10% раствора хлорида кальция. В качестве контроля использовали 3 г картофельных хлопьев, смешанных с 3 мл деионизированной воды. Хлопья перемешали, чтобы получить относительно однородную пасту, и затем в течение 40 минут держали в стеклянной пробирке, нагретыми до температуры 120°С. После нагрева определили содержание акриламида методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии. Перед нагревом контрольные картофельные хлопья содержали 46 ч./млрд акриламида. Результаты испытания приведены далее в таблице 12.
Таблица 12
Влияние концентрации раствора хлорида кальция на снижение содержания акриламида
Смесь
Акриламид, ч./млрд
Снижение содержания акриламида
Контроль (вода)
2604
Отсутствует
0,4% раствор CaCl<sub>2</sub>
1877
28%
2% раствор CaCl<sub>2</sub>
338
76%
10% раствор CaCl<sub>2</sub>
86
97%
Исходя из приведенных выше результатов были проведены испытания, в ходе которых в состав изготавливаемого из полуфабрикатов закусочного продукта, в данном случае изготавливаемых из полуфабрикатов печеных картофельных чипсов, добавляли соль кальция. Технология изготовления из полуфабрикатов печеных картофельных чипсов включает стадии, проиллюстрированные на фиг.3Б. На стадии 35 получения теста картофельные хлопья смешивают с водой, катион-анионной парой (которой в данном случае является хлорид кальция) и другими вводимыми в малых дозах ингредиентами, которые тщательно перемешивают, чтобы получить тесто. (Подразумевается, что и в этом случае термин "картофельные хлопья" охватывает все составы из сухих картофельных хлопьев, гранул или порошка независимо от размера частиц.) На стадии 36 раскатки/резания тесто пропускают через тестовальцовочную машину, которая раскатывает и затем режет его на отдельные куски. На стадии 37 тепловой обработки полученные куски подвергают тепловой обработке до достижения определенного цвета и содержания воды. Затем полученные чипсы приправляют на стадии 38 приправления вкусовыми веществами 38 и расфасовывают на стадии 39 расфасовки.
В ходе первого испытания были получены и подвергнуты тепловой обработке две партии изготавливаемых из полуфабрикатов картофельных чипсов согласно рецепту, приведенному в таблице 13; при этом единственное различие между партиями состояло в том, что чипсы из испытуемой партии содержали хлорид кальция. В обеих партиях сначала перемешали сухие ингредиенты, а затем в каждую сухую смесь добавили масло и перемешали. Хлорид кальция растворили в воде, а затем добавили в тесто. Содержание влаги в тесте до раскатки составляло 40-45% по весу. Тесто раскатали на листы толщиной от 0,020 до 0,030 дюйма, разрезали на куски по размеру чипсов и выпекли.
После тепловой обработки определяли содержание влаги, масла и цвет по шкале L-А-В Хантера. По результатам испытания образцов определили содержание акриламида в конечном продукте. Результаты этих испытаний также приведены ниже в таблице 13.
Таблица 13
Влияние CaCl<sub>2</sub> на содержание акриламида в чипсах
Ингредиент
Контроль
Испытание с использованием CaCl<sub>2</sub>
Картофельные хлопья и модифицированный крахмал (г)
5496
5496
Сахар (г)
300
300
Масло (г)
90
90
Разрыхлители теста (г)
54
54
Эмульгатор (г)
60
60
Хлорид кальция (растворенный в воде) (г)
0
39
Общая сухая масса (г)
6000
6039
Вода (мл)
3947
3947
Испытания после тепловой обработки чипсов
H<sub>2</sub>O, %
2,21
2,58
Масло, %
1,99
2,08
Акриламид, ч./млрд
1030
160
L
72,34
76,67
А
1,99
0,67
В
20,31
24,21
2
Как показывают эти результаты, при добавлении в тесто хлорида кальция в весовом соотношении хлорида кальция и картофельных хлопьев приблизительно 1 к 125 значительно снижается уровень содержания акриламида в конечном продукте с 1030 до 160 ч./млрд. Кроме того, добавление хлорида кальция не оказывает заметного влияния на процентное содержание масла и воды в конечном продукте. Вместе с тем отмечаем, что CaCl способен вызывать изменения вкуса, текстуры и цвета продукта в зависимости от используемого количества.
Количество двухвалентного или трехвалентного катиона, который добавляют в пищевой продукт с целью уменьшения содержания акриламида, может быть выражено различными способами. Промышленно приемлемое количество добавляемого катиона должно быть достаточным для снижения конечного показателя образования акриламида по меньшей мере на двадцать процентов (20%) по сравнению с продуктом. Более предпочтительно, показатель образования акриламида должен быть снижен на величину от тридцати пяти до девяноста пяти процентов (35-95%). Еще более предпочтительно, показатель образования акриламида должен быть снижен на величину от пятидесяти от девяноста пяти процентов (50-95%). Иными словами, добавляемое количество двухвалентного или трехвалентного катиона может быть задано в виде соотношения между молями катиона и молями свободного аспарагина, содержащегося в пищевом продукте. Молярное соотношение двухвалентного или трехвалентного катиона и свободного аспарагина должно составлять по меньшей мере один к пяти (1:5). Более предпочтительно, соотношение должно составлять по меньшей мере один к трем (1:3), еще более предпочтительно, один к двум (1:2). В предпочтительном варианте осуществления молярное соотношение катионов и аспарагина составляет от около 1:2 до 1:1. В случае применения магния, который оказывает меньшее влияние на вкус продукта, чем кальций, молярное соотношение катионов и аспарагина может достигать около двух к одному (2:1).
Были проведены дополнительные испытания согласно описанной выше методике, но с использованием различных партий картофельных хлопьев с различными уровнями содержания восстанавливающих сахаров и различными количествами добавленного хлорида кальция. Далее в таблице 14 проиллюстрировано описанное выше испытание на примере чипсов, содержащих 0,8% восстанавливающих сахаров.
Таблица 14
Влияние CaCl<sub>2</sub> при различных уровнях содержания восстанавливающих сахаров и катионов
CaCl<sub>2</sub> (г)
Восстанавливающий сахар, %
Влага, %
Цветное число
Акриламид ч./млрд
0
0,8
2,2
72,34
1030
39
0,8
2,5
76,67
160
0
1,0
1,8
73,35
464
0
1,0
1,6
72,12
1060
7,5
1,0
1,8
74,63
350
39
1,0
2,0
76,95
80
39
1,0
1,9
75,86
192
0
1,8
1,9
71,37
1020
0
1,8
1,7
72,68
599
0
1,8
1,6
71,26
1640
0
1,8
1,6
74,44
1880
39
1,8
1,8
76,59
148
39
1,8
1,8
75,14
275
2
2
Как показано в этой таблице, при добавлении CaCl уровень содержания акриламида в конечном продукте последовательно снижается даже при весовом соотношении добавляемого CaCl и картофельных хлопьев менее 1:250.
2
В соответствии с предложенным изобретением может использоваться любое число солей, образующих двухвалентный или трехвалентный катион (или, иными словами, образующих катион с валентностью, равной по меньшей мере двум), при условии поправок на побочные воздействия этого дополнительного ингредиента. За эффект снижения содержания акриламида, по-видимому, отвечает двухвалентный или трехвалентный катион, а не образующий с ним пару анион. Ограничения на применение катион-анионных пар помимо валентности связаны с их применимостью в пищевых продуктах, такой как безопасность, растворимость, и их влиянием на вкус, запах, внешний вид и текстуру. Например, эффективность катиона может быть непосредственно связана с его растворимостью. Наиболее предпочтительными являются соли с высокой растворимостью, такие как соли, содержащие анионы ацетата или хлорида. Растворимость менее растворимых солей, таких как соли, содержащие анионы карбоната или гидроксида, может быть повышена путем добавления фосфорной или лимонной кислот или путем разрушения клеточной структуры углеводистого пищевого продукта. Предлагаемые катионы включают катионы кальция, магния, алюминия, железа, меди и цинка. Применимые соли этих катионов включают хлорид кальция, цитрат кальция, лактат кальция, яблочно-кислый кальций, глюконат кальция, фосфат кальция, ацетат кальция, кальцийнатрийэтилендиаминтетраацетат, глицерофосфат кальция, гидроксид кальция, лактобионат кальция, оксид кальция, пропионат кальция, карбонат кальция, стеароиллактат кальция, хлорид магния, цитрат магния, лактат магния, яблочно-кислый магний, глюконат магния, фосфат магния, гидроксид магния, карбонат магния, сульфат магния, гексагидрат хлористого алюминия, хлорид алюминия, гидроксид алюминия, алюминиево-аммониевые квасцы, алюминиево-калиевые квасцы, алюминиево-натриевые квасцы, сульфат алюминия, хлорид железа, глюконат железа, двойную соль лимонно-кислого железа и лимоннокислого аммония, пирофосфат железа, фумарат железа, лактат железа, сульфат железа, хлорид меди, глюконат меди, сульфат меди, глюконат цинка, оксид цинка и сульфат цинка. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используется хлорид кальция, хотя предполагается, что сочетание солей одного или нескольких соответствующих катионов наилучшим образом отвечает требованиям. Ряд солей, таких как соли кальция, в частности хлорид кальция, являются относительно недорогими и широко применяются в некоторых пищевых продуктах. Хлорид кальция может использоваться в сочетании с цитратом кальция, за счет чего ослабляются побочные вкусовые эффекты CaCl. Кроме того, может использоваться любое число солей кальция в сочетании с одной или несколькими солями магния. Специалист в данной области техники поймет, что конкретный состав необходимых солей может корректироваться в зависимости от соответствующего пищевого продукта и желаемых характеристик конечного продукта.
Следует понимать, что изменения характеристик конечного продукта, таких как цвет, вкус и консистенция, могут корректироваться различными средствами. Например, цветовые характеристики картофельных чипсов могут корректироваться путем регулирования количества сахаров в исходном продукте. Некоторые вкусоароматические характеристики могут быть изменены путем добавления в конечный продукт различных ароматизирующих веществ. Физическая текстура продукта может корректироваться, например, путем добавления разрыхлителя теста или различных эмульгаторов.
XII Сочетания веществ при изготовлении теста
В описанных выше подробных вариантах осуществления изобретения основное внимание уделено уменьшению содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке закусочных продуктах за счет применения одного вещества, такого как двухвалентный или трехвалентный катион, или одной или нескольких аминокислот. В других вариантах осуществления предусмотрено использование сочетаний различных веществ, таких как сочетания хлорида кальция с другими веществами, чтобы обеспечить значительное снижение содержания акриламида без значительного изменения вкуса и аромата чипсов.
XIII Сочетания хлорида кальция, лимонной кислоты, фосфорной кислоты
Авторами было обнаружено, что ионы кальция более эффективно снижают содержание акриламида при кислотном рН. В описанном далее испытании было изучено добавление хлорида кальция в присутствии кислоты в сравнении с образцом, содержащим только кислоту.
Таблица 15
Влияние сочетания CaCl<sub>2</sub> с фосфорной или лимонной кислотой на содержание акриламида
Ингредиент
(а) Контроль
Фосфорная кислота
Фосфорная кислота и CaCl<sub>2</sub>
Лимонная кислота и CaCl<sub>2</sub>
Картофельные хлопья/модифицированный крахмал (г)
5490
5490
5490
5490
Сахар
360
360
360
360
Масло
90
90
90
90
Лимонная кислота
30
Фосфорная кислота
30
30
CaCl<sub>2</sub>
30
30
Бикарбонат натрия и монофосфат кальция
54
Эмульгатор (г)
60
60
60
60
Общая сухая масса (г)
6000
6000
6000
6000
Вода (мл)
3950
3950
3950
3950
Влага %
2,16
2,34
2,07
1,60
Цвет L
67,69
71,39
72,70
73,27
А
5,13
3,24
1,62
0,95
В
26,51
26,91
26,05
26,24
Акриламид (ч./млрд)
1191
322
84
83
2
Как показано в таблице 15, при добавлении только фосфорной кислоты образование акриламида уменьшалось на 73%, а при добавлении CaCl и кислоты содержание акриламида снижалось на 93%. Эти результаты представлены в графической форме на фиг.5. На фиг.5 показано, что содержание 502 акриламида в контрольном веществе контроль является достаточно высоким (1191), но значительно снижается при добавлении одной только фосфорной кислоты и еще больше снижается при добавлении хлорида кальция и кислоты. В то же время содержание 504 влаги в различных чипсах оставалось в том же диапазоне, хотя и было несколько ниже в чипсах с добавлением упомянутых веществ. Таким образом, доказано, что хлорид кальция и кислота способны эффективно снижать содержание акриламида.
Были проведены дополнительные испытания с использованием хлорида кальция и фосфорной кислоты в качестве добавок в картофельное тесто. Использовался хлорид кальция в трех различных концентрациях, а именно 0%, 0,45% и 0,90% по весу картофельных хлопьев. Его использовали в сочетании с фосфорной кислотой в трех различных концентрациях, а именно 0%, 0,05% и 0,1% по весу хлопьев. Кроме того, был протестирован восстанавливающий сахар в трех различных концентрациях, а именно 0,2%, 1,07% и 2,07% по весу хлопьев, хотя представлены не все сочетания этих концентраций. Каждое испытуемое вещество вмешивали в тесто, которое формовали и подвергали тепловой обработке с целью изготовления картофельных чипсов. Поддерживали постоянную температуру обжаривания в масле 350°F, время обжаривания 16 секунд и толщину листов 0,64 мм. Для ясности результаты приведены в трех отдельных таблицах (16А, 16Б и 16В), в каждой из которых представлены результаты при одной из концентраций сахара в картофельных хлопьях. Кроме того, в левом столбце приведены результаты испытаний контрольных веществ без добавления хлорида кальция или фосфорной кислоты. В таблице хлорид кальция (СС) сгруппирован по уровням содержания с указанием различий в содержании фосфорной кислоты (РА).
Таблица 16А
Влияние CaCl<sub>2</sub>/фосфорной кислоты на содержание акриламида при 0,2% содержании восстанавливающих сахаров
Группа
Контроль (16)
Без СС ↓РА (5)
↓СС Без РА (7)
↓СС ↑PA (4)
↑CC ↓РА (8)
(b) CaCl<sub>2</sub>, %
-
-
0,45
0,45
0,90
Фосфорная кислота, %
-
0,05
-
0,10
0,05
Содержание влаги
2,36
2,36
2,30
2,30
2,42
Масло
22,83
21,77
23,60
22,20
23,75
(с) Цвет
(d) L
69,42
74,39
75,00
75,07
74,39
А
2,69
0,10
-0,02
-0,13
0,10
В
28,00
27,99
27,80
27,64
27,99
Акриламид
171
133
41
46
40
1
4
Показано, что при наименьшем содержании восстанавливающих сахаров в этом испытании уровни содержания акриламида, как и ожидалось, обычно находятся на нижней границе диапазона. При этом уровне содержания сахаров один только хлорид кальция снижает уровень содержания акриламида до менее / содержания в контрольной группе, при этом добавление фосфорной кислоты обеспечивает незначительное дополнительное снижение. При содержании восстанавливающих сахаров на среднем уровне согласно следующей таблице сочетание хлорида кальция снижает уровень содержания акриламида с 367 ч./млрд в контрольной группе до 69 ч./млрд в группе 12. Хотя это снижение может быть частично отнесено на счет несколько более высокого влагосодержания в группе 12 (2,77 по сравнению с 2,66 в контрольной группе), оно дополнительно подтверждено значительным снижением содержания акриламида даже при двукратном снижении содержания хлорида кальция и фосфорной кислоты. Это представлено на примере группы 6, в которой зафиксировано значительное снижение содержания акриламида и более низкое содержание влаги, чем в контрольной группе.
Таблица 16Б
Влияние CaCl<sub>2</sub>/фосфорной кислоты на содержание акриламида при 1,07% содержании восстанавливающих сахаров
Группа
Контроль (15)
Без СС ↑РА (3)
↓CC ↓РА (2а)
↓CC ↓PA (2b)
↓CC ↓PA (6)
↓CC ↓РА (13)
↑СС 0PA (9)
↑СС ↑РА (12)
CaCl<sub>2</sub>
-
-
0,45
0,45
0,45
0,45
0,90
0,90
Фосфорная кислота, %
-
0,1
0,05
0,05
0,05
0,05
-
0,10
Содержание влаги
2,66
2,5
3,16
2,74
2,61
2,56
2,81
2,77
Масло
23,72
24,2
25,24
22,58
23,48
25,12
23,99
24,71
(е) Цвет
(f) L
69,45
67,6
72,23
70,44
70,58
72,06
72,64
73,59
А
2,73
4,6
0,54
2,32
2,59
2,03
0,84
0,47
В
28,00
28,5
26,51
27,55
27,79
27,64
27,05
26,82
Акриламид
367
45
96
170
192
207
39
69
Таблица 16В
Влияние CaCl<sub>2</sub>/фосфорной кислоты на содержание акриламида при 2,07% содержании восстанавливающих сахаров
Группа
Без СС ↓PA (11)
↓CC Без РА (1а)
↓CC Без РА (1b)
↓CC Без PA (1c)
↓CC ↑РА (10)
↑CC ↓РА (14)
CaCl<sub>2</sub>%
-
0,45
0,45
0,45
0,45
0,90
Фосфорная кислота, %
0,05
-
-
-
0,10
0,05
Содержание влаги
2,47
2,68
2,60
3,19
2,80
3,18
Масло
24,70
25,07
24,48
22,81
24,19
23,25
(g) Цвет
(h) L
61,84
62,32
63,86
69,42
69,11
72,61
А
8,10
5,18
6,70
3,00
3,78
1,28
В
28,32
26,27
28,00
27,66
27,70
26,78
Акриламид
667
431
360
112
150
51
Как видно из этих трех таблиц, как и ожидалось, уровни содержания хлорида кальция и фосфорной кислоты, необходимые для снижения уровня содержания акриламида, повышаются с повышением уровня содержания восстанавливающих сахаров На фиг.6 показана диаграмма, соответствующая трем приведенным выше таблицам, на которой столбики 602 отображают содержание акриламида, а точки 604 соответствуют влагосодержанию. И в этом случае результаты сгруппированы по уровням содержания доступного восстанавливающего сахара в картофеле; внутри каждой группы заметно общее снижение при использовании сначала одного, а затем нескольких снижающих содержание акриламида веществ.
Несколько дней спустя согласно такому же протоколу, что и в приведенных выше таблицах, было проведено другое испытание с использованием только картофельных хлопьев, содержащих 1,07% восстанавливающих сахаров, а также хлорида кальция с теми же тремя уровнями содержания и фосфорной кислоты с четырьмя уровнями содержания (0%, 0,025%, 0,05% и 0,10%). Результаты приведены далее в таблице 17. На фиг.7 в графической форме представлены результаты из таблицы, при этом содержание акриламида отображено столбиками 702 и калибровано по отметкам с левой стороны, а процентное содержание влаги отображено точками 704 и калибровано по отметкам с правой стороны диаграммы. С увеличением количества хлорида кальция, например, в направлении слева направо по всей таблице снижается содержание акриламида. Аналогичным образом, при каждом уровне содержания хлорида кальция, например, в направлении слева направо в пределах одного уровня содержания хлорида кальция также в целом снижается уровень содержания акриламида.
Таблица 17
Влияние CaCl<sub>2</sub>/фосфорной кислоты на содержание акриламида при 1,07% содержании восстанавливающих сахаров
Группа
Контроль (1)
Без СС ↓РА (4)
Без СС ↑РА (7)
↓СС ↓РА (3)
↓СС ↓РА (6)
↑CC ↓↓РА (8)
↑CC ↓РА (2)
↑СС ↑РА (5)
CaCl<sub>2</sub>
-
-
-
0,45
0,45
0,90
0,90
0,90
Фосфорная кислота, %
-
0,050
0,100
0,050
0,050
0,025
0,050
0,100
Содержание влаги
2,68
2,52
2,38
2,29
2,55
2,45
2,78
2,61
Масло
23,74
22,57
22,13
24,33
23,84
22,54
24,11
22,73
(i) Цвет
(j) L
65,97
64,67
64,55
65,18
66,82
68,36
70,23
68,75
А
4,75
5,23
5,53
5,06
4,09
3,17
2,19
2,92
В
27,70
27,83
27,94
27,79
27,64
27,17
26,28
27,06
Акриламид
454
435
344
188
77
233
80
66
XIV Хлорид кальция/лимонная кислота с цистеином
2
2
2
В некоторых предыдущих испытаниях кукурузных чипсов, проводившихся авторами изобретения, хлорид кальция и фосфорная кислота в количестве, необходимом для доведения содержания акриламида до желаемого уровня, создавали неприятные вкусовые ощущения. Было разработано следующее испытание, чтобы установить, позволит ли добавление цистеина в картофельное тесто, которое, как доказано, снижает содержание акриламида в чипсах, снизить содержание хлорида кальция и кислоты до приемлемых на вкус уровней и одновременно поддерживать низкий уровень содержания акриламида. В ходе этого испытания в тесто добавляли три вещества в количестве: (i) 0,106% Са/Cl, 0,084% лимонной кислоты и 0,005% L-цистеина в первом эксперименте; (ii) 0,106% Са/Cl и 0,084% лимонной кислоты, но без цистеина во втором эксперименте и (iii) 0,053% Ca/Cl, 0,042% лимонной кислоты и 0,005% L-цистеина в третьем эксперименте. Каждый эксперимент воспроизводился и проводился снова, при этом оба результата приведены далее. Поскольку содержание влаги в тесте составляло около 50%, при переводе указанных количеств в содержание сухих веществ концентрации приблизительно удваиваются. Кроме того, в ходе каждого испытания в часть продукта добавляли сырную приправу начо в количестве около 10% базового веса чипсов. Результаты этого испытания приведены далее в таблице 18. В этой таблице на строке "акриламид #1" приведены результаты первого эксперимента для чипсов каждой категории, например, простых чипсов из контрольной группы, на строке "акриламид #2" приведены результаты второго эксперимента, а на строке "среднее содержание акриламида" приведен средний показатель двух результатов. Показана только одна величина влагосодержания, которая использовалась в первом эксперименте.
2
При добавлении цистеина в сочетании с 0,106% CaCl и 0,084% лимонной кислоты приблизительно наполовину уменьшается образование акриламида. Один только хлорид кальция и лимонная кислота уменьшали образование акриламида в чипсах с добавлением ароматизатора на основе начо с 80,5 до 54 ч./млрд, хотя в этой серии испытаний добавление цистеина, по-видимому, не обеспечивало дополнительное снижение содержания акриламида.
На фиг.8 в графической форме представлены те же данные, что и выше в таблице. Два столбика 802а отображают данные содержания акриламида в чипсах каждого типа, которые использовали в эксперименте (например, в простых чипсах из контрольной группы). Слева показаны данные 802а содержания акриламида по результатам первого эксперимента для чипсов каждого типа, а справа показаны данные 802b содержания акриламида по результатам второго эксперимента. В обоих случаях данные калиброваны по отметкам в левой части диаграммы. Точкой 804, наложенной на диаграмму содержания акриламида, отображено единое содержание влаги, калиброванное по отметкам в правой части диаграммы.
2
По завершении описанных испытаний изготавливаемые из полуфабрикатов картофельные чипсы подвергли аналогичному испытанию, в котором использовали картофельные хлопья с двумя различными уровнями содержания восстанавливающих сахаров. Для переноса концентраций, использованных при испытании кукурузных чипсов, на изготавливаемые из полуфабрикатов картофельные чипсы сумму слагаемого картофельных хлопьев, картофельного крахмала, эмульгаторов и добавленного сахара принимают за сухое вещество. Количество CaCl, лимонной кислоты и цистеина скорректировали, чтобы получить такую же концентрацию, как в кукурузных чипсах на сухой основе. Тем не менее, при использовании в этом испытании хлорида кальция и лимонной кислоты с более высокими уровнями содержания также использовался цистеин с более высоким уровнем содержания. Кроме того, было проведено сравнение с использованием хлорида кальция в сочетании с фосфорной кислотой при добавлении и без добавления цистеина применительно к нижней части диапазона содержания восстанавливающих сахаров. Результаты приведены в таблице 19.
Из них следует, что сочетание хлорида кальция, лимонной кислоты и цистеина с первым упомянутым уровнем содержания уменьшало образование акриламида с 1290 до 594 ч./млрд в картофельных хлопьях, содержавших 1,25% восстанавливающих сахаров, что составляет менее половины контрольной величины. При использовании сочетания веществ с более высоким уровнем содержания образование акриламида уменьшалось до 306 ч./млрд, что составляет менее половины контрольной величины.
Одна только фосфорная кислота и хлорид кальция уменьшают образование акриламида в тех же самых картофельных хлопьях с 1290 до 366 ч./млрд, а при добавлении небольшого количества цистеина в сочетании с фосфорной кислотой и хлоридом кальция содержание акриламида еще больше уменьшалось - до 188 ч./млрд.
Наконец, при добавлении хлорида кальция, лимонной кислоты и цистеина в картофельные хлопья, содержащие 2% восстанавливающих сахаров, образование акриламида уменьшалось более чем на половину, с 1420 до 665 ч./млрд.
Таблица 19
Влияние цистеина в сочетании с CaCl<sub>2</sub>/кислотой на содержание акриламида в картофельных чипсах
Группа
Среднее содержание восстанавливающих сахаров (1,25%)
Высокое содержание восстанавливающих сахаров (2%)
Контроль (1В)
↓СС ↓Лимонная кислота ↓Cyst (2)
↑СС ↑Лимонная кислота ↑Cyst (3)
СС PhosA0Cyst (4)
СС PhosA Cyst (4А)
Контроль (6)
↓CC ↓Лимонная кислота ↓Cyst (7)
Хлорид кальция
10,2
20,4
3
36
10,2
Лимонная кислота
8
16
8
Фосфорная кислота
4
4
Цистеин
0,48
0,96
0,48
0,48
Акриламид
1290
594
306
36
188
1420
665
Содержание влаги
1,82
2,06
2,12
2,0
2,33
2,28
2,23
Цвет
L
56,84
65,47
69,29
66,8
73,09
61,06
63,50
А
10,20
6,42
4,07
4,4
1,55
9,03
7,93
В
27,53
28,40
28,17
28,1
27,07
28,07
28,00
Результаты этого эксперимента в графической форме представлены на фиг.9. Они сгруппированы по уровням содержания восстанавливающих сахаров, затем по количеству добавляемых уменьшителей содержания акриламида. Как и на предыдущих диаграммах, столбики 902, отображающие уровень содержания акриламида, калиброваны по отметкам в левой части диаграммы, а точки 904, отображающие уровень содержания влаги, калиброваны по отметкам в правой части диаграммы.
Описанные эксперименты доказали, что уменьшители содержания акриламида необязательно должны применяться по отдельности и могут сочетаться для получения добавочного эффекта. Этот добавочный эффект может использоваться для дальнейшего снижения содержания акриламида в пищевых продуктах или для достижения низкого уровня содержания акриламида без значительных изменений вкуса или текстуры этих пищевых продуктов. Хотя в конкретных рассмотренных вариантах осуществления описан хлорид кальция в сочетании с лимонной или фосфорной кислотой и их сочетание с цистеином, специалист в данной области техники признает, что в сочетаниях могут использоваться другие соли кальция, соли других двухвалентных или трехвалентных катионов, другие применимые в пищевых продуктах кислоты и любые из других аминокислот, которые, как доказано, снижают содержание акриламида в конечном пищевом продукте. Кроме того, хотя это продемонстрировано на примере картофельных и кукурузных чипсов, специалист в данной области техники поймет, что такие же сочетания веществ могут использоваться в других изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах, в которых образуется акриламид, таких как печенье, крекер и т.д.
XV Вещества, снижающие содержание акриламида, добавляемого при изготовлении картофельных хлопьев
Доказано, что добавление хлорида кальция и кислоты снижает содержание акриламида в жареных и печеных закусочных пищевых продуктах из картофельных хлопьев. Предполагается, что присутствие кислоты достигает своего эффекта за счет снижения рН. Неизвестно, противодействует ли хлорид кальция потере карбоксильной группы и последующий потере аминогруппы аспарагином, в результате чего образуется акриламид. По-видимому, для потери аминогруппы требуется высокая температура, что обычно происходит ближе к завершению дегидратации закусочного продукта. Предполагается, что потеря карбоксильной группы происходит при более низких температурах в присутствии воды.
Картофельные хлопья могут изготавливаться путем последовательности (обычных) стадий варки в воде и на пару или только путем варки на пару (с меньшим выщелачиванием открытых поверхностей картофеля). Затем подвергнутый тепловой обработке картофель разминают в пюре и подвергают барабанной сушке. Путем анализа хлопьев установлено, что они имеют очень низкое содержание акриламида (менее 100 ч./млрд), хотя продукты, изготавливаемые из этих хлопьев, могут иметь гораздо более высокое содержание акриламида.
Было теоретически предположено, что если снижение рН теста с помощью кислоты или путем добавления в тесто хлорида кальция противодействует потере карбоксильной группы, то введение этих добавок в ходе изготовления хлопьев могло бы (а) уменьшить потерю карбоксильной группы и тем самым снизить скорость потери аминогруппы во время дегидратации закусочного продукта или (b) независимо от механизма обеспечить соответствующее распределение вводимой добавки в тесте, из которого путем дегидратации получают закусочный продукт. Последний вариант, если он имеет место, вероятно, оказывал бы большее влияние на акриламид, чем первый.
Другой возможной добавкой для уменьшения образования акриламида в изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах, является аспарагиназа. Известно, что аспарагиназа разлагает аспарагин на аспарагиновую кислоту и аммиак. При изготовлении хлопьев путем тепловой обработки картофеля (ингредиента пищевого продукта) и его разминания в пюре разрушаются клеточные стенки и обеспечивается возможность действия аспарагиназы. В одном из предпочтительных вариантов осуществления аспарагиназу добавляют в ингредиент пищевого продукта в чистом виде в форме порошка или водного раствора применимой в пищевых продуктах аспарагиназы. Аспарагиназа может сочетаться с другими рассматриваемыми в изобретении уменьшителями содержания акриламида, такими как аминокислоты и двух- и трехвалентные катионы.
С целью изучения влияния различных веществ, добавляемых во время изготовления картофельных хлопьев, на снижение уровня содержания акриламида в продуктах, изготовленных из картофельных хлопьев, авторы изобретения разработали следующую серию экспериментов.
XVI Хлорид кальция и фосфорная кислота, используемые при изготовлении картофельных хлопьев
2
Эта серия испытания была разработана, чтобы оценить снижение уровня содержания акриламида при добавлении CaCl и/или фосфорной кислоты во время изготовления картофельных хлопьев. Испытания также имели целью установить, обладают ли эти добавки таким же влиянием, как и при их применении на более поздней стадии приготовления теста.
2
2
В этом испытании использовали картофель, содержащий 20% сухого вещества и 1% восстанавливающего сахара. Картофель подвергали тепловой обработке в течение 16 минут и размяли в пюре вместе с добавленными ингредиентами. Во все партии добавили 13,7 г эмульгатора и 0,4 г лимонной кислоты. В четыре из шести партий добавили фосфорную кислоту в одной из двух концентраций (0,2% и 0,4% сухого вещества картофеля), а в три из четырех партий добавили CaCl в одной из двух концентраций (0,45% и 0,90% по весу сухого вещества картофеля). После сушки картофеля и его измельчения в хлопья заданного размера были осуществлены различные измерения, и из каждой партии приготовили тесто. В тесте использовали 4629 г картофельных хлопьев и картофельного крахмала, 56 г эмульгатора, 162 мл жидкой сахарозы и 2300 мл воды. Кроме того, в обе партии, в которые во время изготовления хлопьев не была добавлена фосфорная кислота или CaCl, эти вещества добавили в заданных концентрациях во время приготовления теста. Тесто раскатали на листы толщиной 0,64 мм, разрезали на куски и в течение 20 секунд обжаривали при температуре 350°F. Результаты испытаний этих различных партий приведены далее в таблице 20.
Таблица 20
Влияние CaCl<sub>2</sub>/фосфорной кислоты, добавляемой в хлопья или тесто, на содержание акриламида
Партия
0Са ↓phos(С) хлопьях
↓Са ↓phos (В) в хлопьях
↓Са ↓phos (F) в тесте
↑Са ↓phos (А) в хлопьях
↑Са ↓phos (D) в тесте
↑Са ↓phos (Е) в хлопьях
Добавление в хлопья
Вес (г) Хлорид кальция
0
24,7
0
49,4
0
49,4
Вес (г) Фосфорная кислота
11,0
11,0
0
11,0
0
21,9
Испытания сухих хлопьев
Содержание влаги (%)
6,3
6,5
4,5
6,8
6,2
7,7
Коэффициент водопоглощения (WAI) (%)
8,2
8,3
9,2
8,2
8,1
8,1
На сите №20
1,5
1,8
2,0
1,0
1,7
1,6
На сите №40
26,6
30,9
32,3
27,2
28,3
24,4
На сите №60
35,3
37,1
36,1
38,4
37,5
35,3
На сите №80
14,6
13,2
12,0
14,5
14,4
16,0
На сите №100
5,7
4,8
4,5
5,4
5,4
6,5
На сите №200
11,5
8,8
8,6
10,1
9,3
12,1
Через сито №200
4,7
3,3
4,5
3,4
3,3
4,0
Добавление в тесто
Дигидрат хлорида кальция
0
0
23,7
0
47,4
0
Фосфорная кислота
0
0
14,4
0
7,9
0
Результаты испытания чипсов
Содержание влаги
1,87
2,04
2,04
2,07
1,97
2,05
(1) Масло
23,53
23,82
25,12
23,76
24,44
24,98
Цвет - L
54,63
62,58
67,28
66,89
69,48
66,87
Цвет - А
13,63
9,23
6,99
6,27
5,61
7,21
Цвет - В
27,32
28,59
29,54
28,85
29,26
29,37
Акриламид
1286
344
252
129
191
141
Как следует из приведенных выше результатов и соответствующей диаграммы, показанной на фиг.10, наибольшее содержание акриламида зафиксировано в испытании С, когда в хлопья добавлялась только фосфорная кислота, а наименьшее содержание зафиксировано при использовании сочетания хлорида кальция и фосфорной кислоты.
XVII Аспарагиназа, используемая для изготовления картофельных хлопьев
Аспарагиназа является ферментом, который разлагает аспарагин на аспарагиновую кислоту и аммиак. Поскольку из аспарагиновой кислоты не образуется акриламид, авторы сочли, что в результате обработки аспарагиназой должно уменьшаться образование акриламида при нагреве картофельных хлопьев.
Было проведено следующее испытание. Два грамма стандартных картофельных хлопьев смешали с 35 мл воды в металлической сковороде. Сковороду накрыли крышкой и в течение 60 минут держали нагретой до 100°С. После охлаждения добавили 250 единиц аспарагиназы в 5 мл воды, что значительно превышает расчетное необходимое количество аспарагиназы. Ферменты имеют единицы действия. Одна единица действия определяется следующим образом. Одна единица высвобождает из L-аспарагина 1,0 µмоль аммиака в минуту при рН 8,6 и температуре 37°С. В качестве контрольной смеси использовали картофельные хлопья и 5 мл воды без добавления фермента. Картофельные хлопья с добавлением аспарагиназы в течение 1 часа выдерживали при комнатной температуре. После обработки ферментом суспензию картофельных хлопьев в течение ночи сушили при 60°С. Сковороды с высушенными картофельными хлопьями накрыли и в течение 40 минут держали нагретыми до 120°С. Методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии бромированного производного определили содержание акриламида. Контрольные хлопья содержали 11 036 ч./млрд акриламида, а обработанные аспарагиназой хлопья содержали 117 ч./млрд акриламида, т.е. снижение содержания акриламида составило более 98%.
После этого первого испытания было исследовано, необходимо ли для обеспечения действия фермента подвергать картофельные хлопья и воду тепловой обработке до добавления аспарагиназы. С этой целью было проведено следующее испытание.
Картофельные хлопья были предварительно обработаны одним из четырех способов. В каждой из четырех групп 2 грамма картофельных хлопьев смешали с 35 миллилитрами воды. В контрольной предварительно обработанной группе (а) картофельные хлопья и воду смешали, чтобы получить пасту. В группе (b) картофельные хлопья и 25 мл воды с высокой скоростью гомогенизировали в биогомогенизаторе М 133/1281-0 и дополнительно смешали с 10 мл деионизированной воды. В группе (с) картофельные хлопья и воду смешали, накрыли крышкой и в течение 60 минут держали нагретыми до 60°С. В группе (d) картофельные хлопья и воду смешали, накрыли крышкой и в течение 60 минут держали нагретыми до 100°С. Одну половину хлопьев в каждой из групп (а), (b), (с) и (d) предварительно обработали аспарагиназой, а другую половину использовали в качестве контроля без добавления аспарагиназы.
Путем растворения 1000 единиц аспарагиназы в 40 миллилитрах деионизированной воды получили раствор аспарагиназы. В качестве источника аспарагиназы использовали Erwinia chrysanthemi, A-2925 EC 3.5.1.1 производства компании Sigma. В каждую из испытуемых суспензий картофельных хлопьев (а), (b), (с) и (d) добавили пять миллилитров раствора аспарагиназы (5 мл). В контрольную суспензию картофельных хлопьев (а) добавили пять миллилитров деонизированной воды. Все суспензии в течение одного часа выдерживали при комнатной температуре, при этом все испытания дублировались. Не закрытые крышкой сковороды с суспензиями картофельных хлопьев в течение ночи сушили при 60°С. Сковороды накрыли крышками и в течение 40 минут держали картофельные хлопья нагретыми до 120°С. Методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии бромированного производного определили содержание акриламида.
Как показано далее в таблице 21, в результате обработки аспарагиназой произошло уменьшение образования акриламида более чем на 98% во всех предварительно обработанных группах. Ни гомогенизация, ни нагрев картофельных хлопьев до добавления фермента не повышали эффективность аспарагиназы. Аспарагин в картофельных хлопьях доступен для аспарагиназы без дополнительной обработки, разрушающей клеточную структуру. Аспарагиназа использовалась для обработки картофельных хлопьев в значительном избытке. Если картофельные хлопья содержат 1% аспарагина, при добавлении 125 единиц аспарагиназы в 2 грамма картофельных хлопьев на 1 час получают приблизительно 50-кратный избыток фермента.
Таблица 21
Влияние предварительной обработки картофельных хлопьев на эффективность аспарагина
Предварительная обработка
Акриламид, ч./млрд
Акриламид в % контрольного раствора
Контроль - без аспарагиназы
Испытание - аспарагиназа
(а) Без предварительной обработки
12512
107
0,9
(b) Гомогенизация
12216
126
1,0
(с) Нагрев до 60°С
12879
105
0,8
(d) Нагрев до 100°С
12696
166
1,3
Была разработана другая серия испытаний, чтобы определить, обеспечивает ли добавление аспарагиназы во время изготовления картофельных хлопьев снижение содержания акриламида в подвергнутом тепловой обработке продукте из хлопьев и повышается ли эффективность аспарагиназы при буферизации картофельного пюре, из которого получают хлопья, до значения рН, предпочтительного для ферментативной активности (например, рН 8,6). Буферизацию осуществляли с помощью раствора гидроксида натрия, полученного из 4 граммов гидроксида натрия, которые добавили в один литр воды, чтобы получить раствор с десятикратным молярным разведением.
В качестве контроля использовали две партии картофельных хлопьев, в одной из которых они были буферизованы, в другой - не буферизованы. В две дополнительные партии картофельных хлопьев, в одной из которых они также были буферизованы, а в другой - не буферизованы, добавили аспарагиназу. Аспарагиназу, которую предоставила компания Sigma Chemical, смешали с водой в соотношении 8 частей воды на 1 часть фермента. Две партии, в которые добавили аспарагиназу, после добавления фермента в пюре в течение 40 минут выдерживали в закрытом контейнере при температуре приблизительно 36°С, чтобы свести к минимуму дегидратацию. Затем из пюре в барабанной сушилке получили хлопья. Картофельные хлопья использовали для получения картофельного теста описанными выше способами, а полученные результаты приведены далее в таблице 22.
Таблица 22
Влияние аспарагиназы и буферизации на содержание акриламида в картофельных чипсах
Показатель
Небуферизованный контроль
Небуферизованная аспарагиназа
Буферизованный контроль
Буферизованная аспарагиназа
(m) Содержание влаги
1,56
1,53
1,68
1,61
Масло
22,74
23,12
21,77
21,13
Цвет - L
61,24
60,70
57,24
57,35
Цвет - А
6,57
9,30
5,04
7,52
Цвет - В
28,95
28,29
27,12
27,41
Акриламид
768
54
1199
111
Как показано в таблице 22, при добавлении аспарагиназы без буферизации образование акриламида в конечных чипсах уменьшалось с 768 до 54 ч./млрд, т.е. на 93%. Применение буфера, по-видимому, не оказывало желаемого влияния на образование акриламида; вместо этого в результате применения буферизованного раствора увеличивалось количество акриламида как в контрольных группах, так и группах с добавлением аспарагиназы. Тем не менее, при добавлении аспарагиназы уровень содержания акриламида снижался с 1199 до 111, т.е. на 91%. На фиг.11 в графическом виде представлены результаты из таблицы 22. Как и на предыдущих чертежах, столбики 1102 отображают уровень содержания акриламида в каждом эксперименте, калиброванный по отметкам в левой части диаграммы, а точки 1104 отображают содержание влаги в чипсах, калиброванное по отметкам в правой части диаграммы.
Были также проведены испытания образцов на свободный аспарагин, чтобы определить наличие ферментативной активности. Результаты приведены далее в таблице 23.
Таблица 23
Испытание обработанных ферментов хлопьев на свободный аспарагин
Небуферизованный контроль
Небуферизованная аспарагиназа
Буферизованный контроль
Буферизованная аспарагиназа
(n) Свободный аспапагин
1,71
0,061
2,55
0,027
Фруктоза
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
Глюкоза
<0,02
<0,02
<0,02
<0,02
Сахароза
0,798
0,828
0,720
0,322
При добавлении аспарагиназы содержание свободного аспарагина в небуферизованной группе снижалось с 1,71 до 0,061, т.е. на 96,5%. При добавлении аспарагиназы содержание свободного аспарагина в буферизованной группе снижалось с 2,55 до 0,027, т.е. на 98,9%.
Наконец, образцы хлопьев из каждой группы оценили в моделированной системе. В этой моделированной системе небольшое количество каждого образца хлопьев смешали с водой, чтобы получить соответствующий 50% раствор хлопьев в воде. Этот раствор в течение 40 минут поддерживали нагретым до 120°С в пробирке. Затем определяли образование акриламида в образце, при этом результаты показаны в таблице 24. Рядом показаны результаты повторных испытаний для каждой категории. В моделированной системе при добавлении аспарагиназы в небуферизованные хлопья содержание акриламида снижалось в среднем с 993,5 до 83 ч./млрд, т.е. на 91,7%. При добавлении аспарагиназы в буферизованные хлопья содержание акриламида снижалось в среднем с 889,5 ч./млрд в среднем до 64,5, т.е. на 92,7%.
Таблица 24
Влияние аспарагиназы на акриламид в моделированной системе
Небуферизованный контроль
Небуферизованная аспарагиназа
Буферизованный контроль
Буферизованная аспарагиназа
Акриламид, ч./млрд
1019
968
84
82
960
819
70
59
XVIII Экстракт розмарина, добавляемый в масло для жарения
В ходе отдельного испытания было исследовано влияние добавления экстракта розмарина в масла для жарения изготавливаемых из полуфабрикатов картофельных чипсов. С этой целью одинаковые изготавливаемые из полуфабрикатов картофельные чипсы обжаривали в масле без добавок (контрольные чипсы) или масле с добавлением экстракта розмарина в одном из четырех количеств: 500, 750, 1000 или 1500 частей на миллион. Результаты этого испытания приведены далее в таблице 25.
Таблица 25
Влияние розмарина на акриламид
(о) Содержание розмарина, ч./млн
0
0
500
750
1000
1500
Содержание влаги, %
2,58
2,64
2,6
Акриламид, ч./млрд
1210
1057
840
775
1211
1608
Среднее содержание акриламида в контрольных чипсах составляло 1133,5 ч./млрд. При добавлении в масло для жарения 500 частей на миллион розмарина содержание акриламида снижалось до 840, т.е. на 26%, а при добавлении 750 частей на миллион розмарина происходило дальнейшее уменьшение образования акриламида до 775, т.е. на 31,6%. Вместе с тем, при добавлении 1000 частей на миллион розмарина эффект отсутствовал, а при добавлении 1500 частей на миллион розмарина происходило увеличение образования акриламида до 1608 частей на миллиард, т.е. на 41,9%.
На фиг.12 в графической форме представлены результаты испытания розмарина. Как и в предыдущих примерах, столбики 1202 отражают содержание акриламида, калиброванное по делениям в левой части диаграммы, а точки 1204 отражают содержание влаги в чипсах, калиброванное по делениям в правой части диаграммы.
Приведенные результаты испытания обеспечили дополнительную информацию об уменьшителях содержания акриламида, которые могут применяться в подвергнутых тепловой обработке изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах. Доказано, что двухвалентные и трехвалентные катионы, фермент аспарагиназа и аминокислоты эффективно снижают содержание акриламида в подвергнутых тепловой обработке изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах. Эти вещества могут использоваться по отдельности, но также в сочетании друг с другом или с кислотами, которые повышают их эффективность. Сочетание веществ может применяться с целью дальнейшего снижения содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах по сравнению с показателем, достижимым с помощью отдельных веществ, или с целью достижения низкого уровня содержания акриламида без неприемлемого изменения вкуса и текстуры пищевого продукта. Доказано, что аспарагиназа является эффективным уменьшителем содержания акриламида в изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах. Также доказано, что эти вещества могут быть эффективны не только при их добавлении в тесто для изготавливаемого из полуфабриката пищевого продукта, но также в промежуточные продукты, такие как сухие картофельные хлопья или другие сухие продукты из картофеля во время их изготовления. Выгода от применения веществ, добавляемых в промежуточные продукты, может быть такой же, как и при их добавлении в тесто.
XIX Влияние уменьшителя содержания акриламида, содержащего свободный тиол, на образование акриламида
В другом варианте осуществления изобретения образование акриламида уменьшают путем добавления в тесто для изготовления закусочного продукта до его кулинарной или тепловой обработки уменьшителя содержания, содержащего соединение свободного тиола. Используемый в описании термин "соединение свободного тиола" означает уменьшитель содержания акриламида, содержащий свободный тиол. Как указано ранее, предполагается, что свободный тиол цистеина способен вступать в реакцию с двойной углеродной связью акриламида и действовать как ингибитор реакции Майяра.
Было проведено испытание, чтобы доказать, что свободный тиол, вероятно, отвечает за снижение содержания акриламида. Были получены пять эквимолярных соединений свободного тиола, каждое из которых имело концентрацию 6,48 ммолей на литр в 0,5 молей буфера на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0, и содержало 0,4% аспарагина (30,3 миллимолей) и 0,8% глюкозы (44,4 миллимолей). Также был получен контрольный образец, не содержащий соединений свободного тиола. Каждый из шести растворов в течение 40 минут поддерживали нагретым до 120°С. Затем измерили содержание акриламида в растворах. Результаты приведены далее в таблице 26.
Таблица 26
Влияние соединений свободного тиола на снижение содержания акриламида посредством разложения
Соединение
Акриламид (ч./млрд)
В % контрольного раствора
Контроль (без свободного тиола)
4146
100
Цистеин ("L-Цистеин")
1128
27
N-ацетил-L-цистеин
1231
30
N-ацетил-цистамин
1204
29
Восстановленный глутатион
1153
28
Дитиотреитол
1462
35
Описанный выше эксперимент доказывает, что именно свободная тиоловая группа снижает содержание акриламида. Свободная аминогруппа цистеина не способствует снижению содержания акриламида, поскольку N-ацетил-L-цистеин, имеющий блокированную аминогруппу, обладает примерно такой же эффективностью, как и цистеин. Карбоксильная группа цистеина не способствует снижению содержания акриламида, поскольку N-ацетил-цистамин, не имеющий карбоксильной группы, обладает примерно такой эффективностью при снижении содержания акриламида, как и цистеин. Глутатион, являющийся трипептидом с цистеином в среднем положении, равноценен цистеину. Хотя дитиотреитол имеет две тиоловые группы, соединение акриламида с дитиотреитолом аналогично соединениям с одной тиоловой группой. Поскольку обе тиоловые группы дитиотреитола могут вступать в реакцию, в результате которой образуются дисульфиды, дитиотреитол обладает меньшей эффективностью, чем другие содержащие тиол соединения, при равном молярном содержании.
Эксперимент, пример которого приведен выше в таблице 26, доказал, что снижение содержания акриламида приблизительно пропорционально концентрации добавляемых свободных тиолов, таких как цистеин. Тем не менее, должны учитываться побочные воздействия на характеристики, такие как цвет, вкус и текстура конечного продукта, в результате добавления соединения свободного тиола в виде цистеина. Высокие уровни содержания цистеина способны, например, придавать нежелательные привкусы конечному продукту. Следовательно, добавки, которые способны повышать или усиливать эффективность соединения свободного тиола, такого как цистеин, являются желательными, поскольку такие добавки могут обеспечивать такое же снижение содержания акриламида при меньшей концентрации соединения тиола. Было обнаружено, что при добавлении в соединение свободного тиола, такое как цистеин, уменьшителя содержания усиливается снижение содержания акриламида. Из окислительно-восстановительной химии известно, что уменьшители содержания представляют собой соединения-доноры электронов, а окислители представляют собой акцепторы электронов.
XX Влияние цистеина + уменьшитель содержания на разложение акриламида
Для испытания повышенной эффективности соединений свободного тиола с добавлением уменьшителя содержания могут использоваться простые моделированные системы. В 0,5 молей буфера на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0, получили контрольный образец раствора, содержащий свободный тиол (1,114 миллимолей цистеина) и акриламид (0,0352 миллимолей). Раствор в течение 40 минут поддерживали нагретым до 120°С. Восстановление добавленного акриламида составило 21%. Следовательно, снижение содержания акриламида в контрольном образце без уменьшителя содержания составило 79%. Даже хотя молярное соотношение цистеина и акриламида не превышало 30, не весь акриламид вступил в реакцию с цистеином.
Затем было проведено испытание соединений свободного тиола и уменьшителя содержания. В 0,5 молей буфера на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0, получили раствор, содержащий 135 ч./млн соединения свободного тиола (1,114 миллимолей цистеина), 2500 ч./млрд акриламида (0,0352 миллимолей) и около 305 ч./млн уменьшителя содержания (1,35 миллимолей дигидрата дихлорида олова). После выдерживания в течение 40 минут при 120°С восстановление добавленного акриламида составило менее 4%. Следовательно, снижение содержания акриламида в образце, содержащем уменьшитель содержания, превысило 96%, что еще на 17% больше, чем при добавлении только одного свободного тиола или у контрольного образца.
XXI Влияние цистеина + окислитель на разложение акриламида
Затем было проведено испытание с добавлением окислителя вместо уменьшителя содержания. В 0,5 молей буфера на основе фосфата натрия с рН, равным 7,0, получили раствор, содержащий 135 ч./млн свободного тиола (1,114 миллимолей цистеина), 2500 ч./млрд акриламида (0,0352 миллимолей) и 235 ч./млн окислителя (1,35 миллимолей дегидроаскорбиновой кислоты). После выдерживания в течение 40 минут при 120°С восстановление добавленного акриламида составило около 27%. Следовательно, снижение содержания акриламида в образце, содержащем окислитель, составило около 73%, что меньше, чем снижение в случае контрольного образца с добавлением цистеина. Таким образом, в результате добавления окислителя разложение акриламида уменьшилось.
Были проведены дополнительные испытания других окислителей и уменьшителей содержания с использованием раствора акриламида, содержащего около 2500 нг/мл или 2500 ч./млрд акриламида. Результаты приведены далее в таблице 27.
Таблица 27
Влияние окислителей и уменьшителей содержания в сочетании с цистеином на акриламид
Соединение
Концентрация (µг/мл)
Миллимолярная концентрация
Восстановление акриламида (нг/мл)
% восстановления акриламида
Контрольный образец (только свободный тиол)
Цистеин
135
1,114
534
21%
Уменьшитель содержания + 135 ч./млн цистеина
Аскорбиновая кислота
11,4
9%
Дигидрат дихлорида олова
304,6
1,350
68
3%
Сульфит натрия
170,2
1,350
69
3%
Метабисульфит натрия
256,6
1,350
24
1%
Окислитель + 135 ч./млн цистеина
Дегидроаскорбиновая кислота
235
1,350
673
27%
Моногидрат галловой кислоты
253,9
1,350
1111
44%
Катехингидрат
391,9
1,350
877
35%
Эпикатехин
391,9
1,350
827
33%
Рутингидрат
824,2
1,350
1306
52%
На фиг.13 наглядно проиллюстрировано теоретически оцененное влияние добавления окислителя или уменьшителя содержания на уменьшитель содержания акриламида. Не будучи связанными какой-либо теорией, мы предполагаем, что уменьшители 1304 содержания повышают или усиливают эффективность цистеина путем сохранения цистеина в редуцированной форме тиола 1306. Как упомянуто выше, предполагается, что цистеин в форме свободного тиола вступает в реакцию с двойной связью акриламида. Окислитель 1302, такой как дегидроаскорбиновая кислота, вероятно, преобразует цистеин в форме тиола 1306 в инертный цистеиндисульфид (цистин) 1308. В одном из вариантов осуществления изобретения используется уменьшитель содержания со стандартным восстановительным потенциалом (Е°) от около +0,2 до -2,0 вольт.
XXII Усиленное влияние тиола в сочетании с уменьшителем содержания на картофельные хлопья
Было проведено испытание с целью сравнения снижения содержания акриламида в картофельных хлопьях под действием свободного тиола с использованием и без использования уменьшителя содержания. Было подготовлено шесть пробирок с 3 граммами картофельных хлопьев, смешанных с 3 мл деионизированной воды. В пробирки добавили цистеин в концентрациях (µг цистеина/г картофельных хлопьев) 800 ч./млн, 400 ч./млн, 200 ч./млн и 100 ч./млн. В пробирку добавили казеин в количестве 1%, являющийся потенциальным источником свободного тиола. Каждую из шести пробирок в течение 40 минут выдерживали при температуре 120°С. Затем измерили концентрацию акриламида в растворах. Результаты приведены далее в таблице 28.
Таблица 28
Влияние различных концентраций на снижение содержания акриламида без использования уменьшителя содержания
Образец
Добавленный цистеин (ч./млн)
Акриламид (ч./млрд)
Акриламид в % контроля
Контроль
0
2695
100
Цистеин
800
2220
82
Цистеин
400
2179
81
Цистеин
200
2612
97
Цистеин
100
2832
105
Казеин (1%)
2808
104
И в этом случае данные подтверждают, что с увеличением концентрации цистеина также увеличивается снижение содержания акриламида. Описанное испытание также доказывает, что 1% казеин без уменьшителя содержания не снижает содержание акриламида.
Как показано выше в таблице 27, сульфит натрия (уменьшитель содержания) повышал эффективность цистеина при снижении содержания добавленного акриламида дополнительно на 18% по сравнению со свободным тиолом или контрольным образцом. Было проведено испытание, чтобы определить влияние сульфита натрия на эффективность цистеина и казеина при снижении содержания акриламида в картофельных хлопьях. Было подготовлено пять пробирок с 3 граммами картофельных хлопьев, смешанных с 3 мл деионизированной воды. В две пробирки добавили цистеин в концентрации 400 ч./млн (µг цистеина/г картофельных хлопьев). В одну из пробирок добавили казеин в количестве 1%. В пробирку с казеином и в одну из пробирок с цистеином добавили сульфит натрия в количестве 483 ч./млн (µг двуокиси серы/г картофельных хлопьев). Каждый из образцов в течение 40 минут держали нагретым до 120°С. Затем измерили содержание акриламида в растворах. Результаты приведены далее в таблице 29.
Таблица 29
Влияние различных уровней концентрации на снижение содержания акриламида в картофельных хлопьях без использования уменьшителя содержания
Тиол
Уменьшитель содержания
Акриламид (ч./млрд)
Акриламид в % контроля
0 ч./млн цистеина (контроль)
-
3567
100
400 ч./млн цистеина
-
2500
70
-
483 ч./млн сульфита
3004
84
400 ч./млн цистеина
483 ч./млн сульфита
2351
66
1% казеин
483 ч./млн сульфита
2632
74
В таблице 28 показано, что добавление 1% казеина не привело к снижению содержания акриламида в картофельных хлопьях без использования уменьшителя содержания. Тем не менее, в таблице 29 показано, что добавление уменьшителя содержания (483 ч./млн сульфита натрия) приводит к снижению содержания акриламида дополнительно на 10% по сравнению с применением только сульфита натрия.
Тиол и уменьшитель содержания были менее эффективны при снижении содержания акриламида в образцах картофельных хлопьев (таблицы 28 и 29), чем в не содержащих картофельные хлопья растворах. Существует несколько потенциальных причин, которыми это объясняется. Например, акриламид добавляли в образцы, не содержащие картофельные хлопья, но он должен был образоваться в образцах картофельных хлопьев. Таким образом, образование акриламида, вероятно, являлось более важным, чем разложение. Кроме того, для картофельных хлопьев не были оптимизированы условия. Значение рН картофельных хлопьев не было доведено до 7, при котором повысилась бы способность цистеина вступать в реакцию с акриламидом.
В одном из вариантов осуществления соединение 1306 свободного тиола выбирают из группы, включающей цистеин, N-ацетил-L-цистеин, N-ацетил-цистамин, восстановленный глутатион, дитиотреитол, казеин и их сочетания. В одном из вариантов осуществления уменьшитель 1304 содержания выбирают из группы, включающей дигидрат дихлорида олова, сульфит натрия, метабисульфит натрия, аскорбиновую кислоту, производные аскорбиновой кислоты, изоаскорбиновую кислоту (эриторбовую кислоту), соли производных аскорбиновой кислоты, железо, цинк, ионы железа и их сочетания.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что такое же снижение содержания акриламида может быть достигнуто путем использования меньшего количества свободного тиола, когда соединение свободного тиола смешано с уменьшителем содержания. Тем самым могут быть ослаблены или устранены побочные привкусы. Снижение содержания акриламида может быть достигнуто путем использования соединения свободного тиола и уменьшителя содержания в любом изготавливаемом из теста закусочном продукте. Другим преимуществом настоящего изобретения является питательная ценность, присущая некоторым уменьшителям содержания. Аскорбиновая кислота, например, также известна как витамин С.
XXIII Дополнительные примеры применения аспарагиназы в изготавливаемых из полуфабрикатов закусочных продуктах
Выше рассмотрены и описаны примеры применения фермента аспарагиназы в изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах в качестве уменьшителя содержания акриламида. Далее приведены дополнительные примеры такого применения, которые иллюстрируют удобство и гибкость этого подхода.
В первом примере кукурузу подвергли тепловой обработке до достижения 45% содержание влаги. Кукурузу измельчили и добавили воду и фермент аспарагиназу за исключением контрольных образцов, чтобы довести содержание влаги до 50%. Для каждого испытания получили кукурузное тесто согласно условиям, подробно указанным далее в таблице 30 в столбце "Описание". После получения кукурузного теста согласно условиям, приведенным в столбце "Описание", образцы извлекли и выдержали в течение 3, 6 или 9 минут, после чего охладили спиртовым раствором. Этот спиртовой раствор деактивировал фермент аспарагиназу и тем самым моделировал время пребывания фермента в тесте после смешивания. Моделированное время пребывания для каждого испытания представлено в столбце "Время выдержки" таблицы 30. После охлаждения определили содержание аспарагина в каждом образце, которое также представлено в таблице 30. Затем из кукурузного теста сформовали чипсы, которые обжарили до достижения 1,1% содержания влаги, и измерили уровень содержания акриламида в каждом образце чипсов. Было установлено, что уровень содержания акриламида после достижения этого содержания влаги в результате обжаривания линейно зависел от содержания аспарагина, измеренного после каждого описанного ранее испытания. Далее в таблице 30 приведен протокол каждого испытания и его результаты.
Таблица 30
Кукурузное тесто, содержащее аспарагиназу
Испытание
Время выдержки (минуты)
Описание
Аспарагин, нмоли
1
Контроль
5,16
2
3
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и комнатной температурой
3,65
3
6
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и комнатной температурой
2,69
4
9
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и комнатной температурой
1,31
5
3
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 60°F.
2,99
6
6
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 60°F.
1,65
7
9
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 60°F.
0,83
8
3
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 100°F.
5,32
9
6
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 100°F.
4,88
10
9
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 8,5 и температурой 100°F.
4,79
11
3
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 6 и комнатной температурой
2,61
12
6
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 6 и комнатной температурой
0,87
13
9
120 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста с добавлением воды с рН 6 и комнатной температурой
0,46
В таблице 30 проиллюстрировано влияние рН и температуры на эффективность добавления аспарагиназы в кукурузное тесто. Как показывает сравнение испытаний 11-13 с испытаниями 2-4, содержание аспарагина больше снижается при рН 6, чем при рН 8,5. Кроме того, хотя, как доказывают испытания 5-7, аспарагиназа снижала содержание аспарагина при более низких по сравнению с контрольными образцами температурах, таких как 60°F, из испытаний 2-4 следует, что снижение содержания аспарагина было более эффективным при более высоких, комнатных температурах. Из сравнения испытаний 8-10 с испытаниями 2-4 следует, что повышение температуры до 100°F при рН, равном 8,5, по-видимому, не приводит к увеличению снижения содержания аспарагина.
Сходный пример приведен далее в таблице 31. Сначала кукурузу подвергли тепловой обработке до достижения 45% содержания влаги. Затем ее измельчали в течение 1 минуты и одновременно добавляли в водный раствор фермент аспарагиназу с помощью насоса, работающего с различной частотой накачки. Как и в предыдущем испытании, образцы полученного кукурузного теста охладили после выдержки в течение 3, 6 и 9 минут. Затем определили содержание аспарагина в таких образцах. Как показывает сравнение испытаний 5-7 с испытаниями 2-4, влияние более высокой температуры не очень существенно при малом времени пребывания, как следует из сравнения испытания 5 и испытания 2. Тем не менее, при времени пребывания 6 и 9 минут и более высокой температуре увеличивается снижение содержания аспарагина в кукурузном тесте. Кроме того, как доказывают испытания 8-16, на снижение содержания аспарагина способна влиять работа подающего фермент насоса с различной частотой накачки.
Таблица 31
Кукурузное тесто, содержащее аспарагиназу
Испытание
Время выдержки
Описание
Аспарагин, нмоли
1
Контроль 38
5,29
2
3
Вода для размола, 60°F, pH 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
3,31
3
6
Вода для размола, 60°F, pH 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
1,49
4
9
Вода для размола, 60°F, pH 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
0,71
5
3
Вода для размола, 100°F, рН 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
3,54
6
6
Вода для размола, 100°F, рН 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
1,03
7
9
Вода для размола, 100°F, рН 6, 1980 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
0,30
8
3
Насос для фермента, 10 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
4,50
9
6
Насос для фермента, 10 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
3,40
10
9
Насос для фермента, 10 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
3,30
11
3
Насос для фермента, 30 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
3,11
12
6
Насос для фермента, 30 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
1,29
13
9
Насос для фермента, 30 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
0,73
14
3
Насос для фермента, 60 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
4,08
15
6
Насос для фермента, 60 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
2,01
16
9
Насос для фермента, 60 Гц, 1320 единиц аспарагиназы/кг кукурузного теста
0,81
Далее в таблице 32 приведен сходный пример испытания кукурузных чипсов. В ходе этого испытания сырую кукурузу подвергли тепловой обработке до достижения 53% содержания влаги. Затем приблизительно 30 фунтов кукурузы поместили на лоток и полили водным раствором, содержащим фермент аспарагиназу. Кукурузу выдерживали в течение 5 или 15 минут ("время выдержки") и затем размалывали в течение одной минуты. Затем образцы кукурузного теста охлаждали в течение 3, 6 и 9 минут, как это описано ранее. Затем определяли содержание аспарагина в каждом образце.
Таблица 32
Кукурузное тесто, содержащее аспарагиназу
Испытание
Описание
Аспарагин, нмоли
1
Контроль
5,54
2
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 3 мин
0,68
3
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 6 мин
0,37
4
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 9 мин
0,41
5
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 3 мин
0,45
6
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 6 мин
0,35
7
15900 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 9 мин
0,30
8
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 3 мин
0,36
9
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 6 мин
0,21
10
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 5 мин, время охлаждения 9 мин
0,23
11
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 3 мин
0,53
12
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 6 мин
0,31
13
80000 единиц аспарагиназы, время выдержки 15 мин, время охлаждения 9 мин
0,22
Испытания, проиллюстрированные в таблицах 30, 31 и 32, дополнительно подтверждают, что аспарагиназа может эффективно применяться в изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах путем добавления во время размола или получения теста или, в качестве альтернативы, путем обработки исходных ингредиентов до размола или получения теста.
XXIV Сочетания аспарагиназы и других уменьшителей содержания акриламида
Помимо применения аспарагиназы в качестве единственного средства снижения содержания акриламида в подвергнутом тепловой обработке пищевом продукте она также может применяться в сочетании с другими соединениями, такими как двухвалентные и трехвалентные катионы и различные аминокислоты, с целью снижения содержания акриламида в конечном продукте. В одном из примеров этого подхода картофельные ломтики вымачивают в извести, представляющей собой гидроксид кальция (двухвалентный катион), в сочетании с обработкой картофельных ломтиков раствором аспарагиназы.
Для каждого из проведенных испытаний сначала очистили от кожуры 600 граммов картофеля и нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма. Затем эти ломтики картофеля вымочили в 17 литрах воды в соответствии с условиями каждого отдельного испытания. После стадии вымачивания влажные ломтики извлекли и высушили на салфетках и затем измерили содержание аспарагина. Во время первого испытания ломтики в течение двух минут вымачивали при температуре 120°F. Во время второго испытания ломтики в течение двух минут вымачивали при температуре 120°F в присутствии 1000 единиц фермента аспарагиназы. Во время третьего испытания ломтики в течение двух минут вымачивали при температуре 120°F в растворе извести с рН 9. Во время четвертого испытания ломтики в течение двух минут вымачивали при температуре 120°F в растворе извести с рН 9 в присутствии 100000 единиц фермента аспарагиназы. Результаты этих испытаний приведены далее в таблице 33.
Таблица 33
Влияние сочетания уменьшителей содержания на ломтики картофеля
Испытание
Описание
Аспарагин, нмоли
1
Вымачивание в воде
681
2
Вымачивание в воде с аспарагиназой
480
3
Вымачивание в воде с известью
146
4
Вымачивание в воде с известью и аспарагиназой
106
Как показано в таблице 33, применение вымачивания только в аспарагиназе или в извести снижает количество аспарагина в ломтиках картофеля, следовательно, предельное образование акриламида. Тем не менее, сочетание вымачивания в аспарагиназе и в извести является еще более эффективным. Таким образом, известь может применяться для гидролиза клеточных стенок ломтиков картофеля и их достаточного ослабления, чтобы фермент, такой как аспарагиназа, мог вступить в реакцию со свободным аспарагином или чтобы известь образовала комплексное соединение с аспарагином. Уровень остающегося для образования акриламида аспарагина может быть снижен в любой ситуации. Дополнительные данные, полученные по результатам экспериментов с использованием извести, представлены далее в таблице.
Положительное влияние на снижение содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах было также отмечено при использовании сочетания солей натрия, таких как фосфат натрия и хлорид натрия, с аминокислотой лизином. Следует также отметить, что в зависимости от применения и последовательности осуществления любого из описанных по отдельности подходов для снижения содержания акриламида могут быть получены улучшенные результаты. Например, ингредиент пищевого продукта сначала может быть обработан аминокислотой, а затем аспарагиназой или наоборот, помимо применения сочетания обоих веществ на одной стадии. Аналогичным образом, ингредиент пищевого продукта может быть обработан многовалентным катионом до, после или одновременно с обработкой аспарагиназой. Следовательно, образование акриламида в подвергнутом тепловой обработке пищевом продукте может быть уменьшено путем применения аспарагиназы в сочетании по меньшей мере с одним другим уменьшителем содержания акриламида. Такой один другой уменьшитель содержания акриламида может быть выбран из группы, включающей свободные аминокислоты, катионы с валентностью, равной по меньшей мере 2, применимые в пищевых продуктах кислоты, применимые в пищевых продуктах щелочи и соединение свободного тиола в сочетании с уменьшителем содержания. Такими уменьшителями содержания акриламида, в частности, могут являться описанные ранее вещества. Например, используемая аминокислота может быть выбрана из группы, включающей цистеин, лизин, глицин, гистидин, аланин, метионин, глутаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту, пролин, фенилаланин, валин, аргинин и их смеси. Следовательно, подразумевается, что упоминаемые в описании группы различных уменьшителей содержания акриламида включают все описанные ранее отдельные соединения, входящие в эти группы, при этом любое из них может применяться в сочетании с аспарагиназой с целью уменьшения образования акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах.
XXV Влияние рН
Приведенный выше пример вымачивания картофельных ломтиков в извести также доказывает потенциальное влияние рН на образование акриламида. Было выяснено, что воздействие на пищевой продукт раствором с высоким или низким рН способно в итоге снизить количество образующегося акриламида. Помимо примеров, приведенных выше в таблице 30 и таблице 33, в данном примере рассматривается снижение содержания акриламида путем вымачивания в уксусной кислоте. Для проведения первого испытания 400 граммов картофеля очистили от кожуры и нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма. Затем эти ломтики обжарили до 1,1% содержания влаги по весу и определили содержание акриламида. Для проведения второго испытания 800 граммов картофеля также нарезали ломтиками и затем в течение 60 минут вымачивали в 4,9 литра воды и 75 миллилитрах ледяной уксусной кислоты при комнатной температуре. Затем эти ломтики извлекли, высушили и обжарили, как и в первом испытании. Для проведения третьего испытания 800 граммов ломтиков картофеля в течение 60 минут вымачивали в 4,85 литра воды и 150 миллилитрах ледяной уксусной кислоты при комнатной температуре. После этого ломтики извлекли, высушили, обжарили и определили содержание акриламида. Для проведения четвертого испытания в течение 15 минут вымачивали 800 граммов ломтиков картофеля в 4,9 литра воды и 75 миллилитрах ледяной уксусной кислоты при температуре 120°F. После этого ломтики извлекли, высушили, обжарили и определили содержание акриламида. Наконец, для проведения пятого испытания в течение 60 минут вымачивали 800 граммов ломтиков картофеля в 4,85 литра воды и 150 миллилитрах ледяной уксусной кислоты при температуре 120°F. Ломтики извлекли, высушили, обжарили и определили содержание акриламида. Результаты этого эксперимента приведены далее в таблице 34.
Таблица 34
Влияние уксусной кислоты и аспарагиназы
Испытание
Описание
Аспарагиназа, моли
1
Контроль
203,9
2
4,9 литра воды, 75 мл уксусной кислоты, 60 мин
179,0
3
4,85 литра воды, 150 мл уксусной кислоты, 60 мин
120,2
4
4,9 литра воды, 75 мл уксусной кислоты, 120°F, 15 мин
96,0
5
4,85 литра воды, 150 мл уксусной кислоты, 120°F, 60 мин
62,3
Как доказывают испытания 2 и 3, проиллюстрированные в таблице 34, в результате увеличения количества уксусной кислоты при прочих равных условиях увеличивается снижение содержания аспарагина, даже при комнатной температуре. Таким образом, если из таблицы 30 следует, что содержание аспарагина в изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах может снижаться в результате снижения рН, из таблицы 34 следует, что в результате вымачивания ломтиков картофеля в кислом растворе со сниженным рН содержание аспарагина может значительно снижаться даже без добавления аспарагиназы. Кроме того, как показывает сравнение испытаний 3 и 5, содержание аспарагина в ломтиках картофеля может значительно снижаться при повышенной температуре в присутствии кислоты. Помимо этого, из сравнения испытаний 2 и 4 следует, что при повышенной температуре увеличение снижения содержания аспарагина может происходить даже при уменьшенном времени пребывания.
Примеры, такие как проиллюстрированы выше в таблице 33 и таблице 34, доказывают, что путем варьирования рН относительно нейтрального значения можно влиять на количество акриламида, образующегося в продукте, на который воздействуют кислым или щелочным раствором до тепловой обработки. Подобный факт был отмечен, когда содержание акриламида измеряли при сочетании аспарагина и глюкозы в буфере на основе фосфата натрия, нагретом до 150°С. Чем ниже рН буфера на основе фосфата натрия, тем меньше образуется акриламида, в особенности когда рН составляет 5 или меньше. Подобные результаты были получены при исследовании влияния рН на образование акриламида в картофельных хлопьях при добавлении хлорида кальция, фосфорной кислоты или лимонной кислоты с целью снижения рН образца.
На фиг.14 наглядно проиллюстрировано влияние на содержание акриламида многовалентных катионов, которые снижают рН. В стеклянную пробирку с 3 г картофельных хлопьев добавили солевые растворы (3 мл). В 3 г картофельных хлопьев добавили 0,0375 г (1,25%) хлорида кальция. Концентрации солей кальция и хлорида магния выбрали таким образом, чтобы добавить в картофельные хлопья одинаковые молярные количества двухвалентного катиона. Для хлорида натрия молярное количество натрия было удвоено. Измерили рН 1404 суспензий картофельных хлопьев, после чего стеклянные пробирки закупорили и в течение 40 минут выдерживали при 120°С. После нагрева методом газовой хроматографии-массовой спектрометрии определили содержание акриламида 1402. Контрольный образец содержал 3 г картофельных хлопьев и 3 мл деионизированной воды.
Как показано на фиг.14, многовалентные катионы, снижающие рН 1404 раствора, особо эффективны при снижении содержания акриламида 1402. Влияние многовалентных катионов на рН раствора связано с растворимостью катион-анионной пары в растворе, в который добавлена пара. Например, на фиг.15 наглядно проиллюстрировано влияние на рН хлорида кальция или хлорида натрия в 0,5 моля фосфатного буфера и 0,5 моля ацетатного буфера. Поскольку щелочные формы фосфата кальция являются нерастворимыми, кислотность раствора повышается, как это обозначено линией 1502, которая отображает снижение рН по мере повышения молярной концентрации хлорида кальция. Аналогичным образом, при добавлении хлорида кальция в ацетатный буфер снижение рН было меньшим, как это обозначено линией 1504, поскольку ацетат кальция является растворимым. При добавлении хлорида натрия в ацетатный буфер, как это обозначено линией 1506, или в фосфатный буфер, как это обозначено линией 1508, произошло лишь небольшое снижение рН, поскольку и ацетат натрия, и фосфат натрия являются растворимыми.
Кроме того, анионная часть соли с многовалентными катионами также способна влиять на рН. Сильно диссоциированные анионы, такие как анионы хлора, в меньшей степени влияют на рН, чем слабо диссоциированные анионы, такие как анионы ацетата, которые способны делать рН более щелочным путем смещения вправо проиллюстрированной далее реакции:
3
2
3
-
CHCOO+HO↔СНСООН+OH.
Как показано на фиг.14, далее в таблице 35 приведены значения константы ионизации (рKа) анионов солей.
Таблица 35
Значения рКа анионных кислот, проиллюстрированных на фиг.14
Многовалентная соль
Получаемая анионная кислота
рKа анионной кислоты
Хлорид кальция
HCl
0,00
Хлорид магния
HCl
0,00
Глюконат кальция
Глюконовая кислота
3,60
Ацетат кальция
Уксусная кислота
4,76
Цитрат кальция
Лимонная кислота
6,39
Если исходить из приведенных выше на фиг.14 и таблице 35 данных, касающихся солей, по-видимому, при более высоких значениях рKа анионной кислоты раствор становится более щелочным и противодействует влиянию кальция на снижение рН. Соли, которые в наиболее значительной степени снижают содержание акриламида, а именно хлорид кальция, хлорид магния и глюконат кальция, имеют анионы со значениями рKа менее 4. В результате добавления цитрата кальция, анионы которого имеют значение рKа 6,39, получали более высокое содержание акриламида, чем в картофельных хлопьях без добавления солей, например, как у "водного" образца. В связи с этим в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для снижения содержания акриламида используется снижающая рН соль. В одном из вариантов осуществления снижающая рН соль имеет рKа менее около 6,0. Такие соли включают без ограничения хлорид кальция, лактат кальция, яблочно-кислый кальций, глюконат кальция, одноосновный фосфат кальция, ацетат кальция, лактобионат кальция, пропионат кальция, стеароиллактат кальция, хлорид магния, цитрат магния, лактат магния, яблочно-кислый магний, глюконат магния, фосфат магния, сульфат магния, гексагидрат хлористого алюминия, хлорид алюминия, алюминиево-аммониевые квасцы, алюминиево-калиевые квасцы, алюминиево-натриевые квасцы, сульфат алюминия, хлорид железа, глюконат железа, фумарат железа, лактат железа, сульфат железа, хлорид меди, глюконат меди, сульфат меди, глюконат цинка и сульфат цинка.
Таблица 36
Эффективные значения рKа солей с многовалентными катионами
Соль
Эффективные значения рKа
Хлорид кальция
0,00
Одноосновный фосфат кальция
2,16
Лактат кальция
3,08
Стеароиллактат кальция
3,08
Глюконат кальция
3,60
Лактобионат кальция
3,60
Ацетат кальция
4,76
Пропионат кальция
4,86
Яблочно-кислый кальций
5,11
Хлорид магния
0,00
Сульфат магния
1,98
Хлорид магния
0,00
Сульфат магния
1,98
Одноосновный фосфат магния
2,16
Лактат магния
3,08
Цитрат магния
3,14
Яблочно-кислый магний
3,40
Глюконат магния
3,60
Гексагидрат хлористого алюминия
0,00
Хлорид алюминия
0,00
Алюминиево-аммониевые квасцы
1,98
Алюминиево-калиевые квасцы
1,98
Алюминиево-натриевые квасцы
1,98
Сульфат алюминия
1,98
Глюконат железа
3,60
Фумарат железа
4,44
Хлорид меди
0,00
Сульфат меди
1,98
Глюконат меди
3,60
Сульфат цинка
1,98
Глюконат цинка
3,60
Для различных пищевых продуктов необходимы различные уровни рН на различных стадиях процесса их изготовления с целью придания пищевым продуктам их уникальных свойств. Например, для придания мягким кренделям их характерного вкуса обычно необходима каустическая ванна. Таким образом, специалисту в данной области техники придется использовать различные уровни рН в соответствии с требованиями к каждому из обрабатываемых пищевых продуктов. Следовательно, применимые в пищевых продуктах кислоты и щелочи в соответствии с известным из техники значением этих терминов представляют собой уменьшители содержания акриламида.
XXIV Сочетания уменьшителей содержания акриламида и разрушения клеточной структуры
Поскольку фермент аспарагиназа вступает в реакцию с аспарагином, он может использоваться для избирательного удаления аспарагина из картофеля. Одна из задач состоит в том, чтобы обеспечить доступ к аспарагину, находящемуся внутри клеточной стенки картофеля, без нарушения структурной целостности клубня. В связи с этим многие варианты осуществления настоящего изобретения направлены на ослабление клеточных стенок пищевого продукта растительного происхождения, содержащего аспарагин. Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения клеточная стенка может быть ослаблена посредством одного или нескольких механизмов ослабления клеточных стенок. Используемый в описании термин "механизм ослабления клеточных стенок" означает любой физический или химический механизм, приводящий к ослаблению или нарушению клеточных стенок и тем самым усиливающий способность уменьшителя содержания акриламида или аспарагина проникать через клеточную стенку, который может применяться, чтобы, например, фермент аспарагиназа мог проникать в ломтики, снижать содержание аспарагина и уменьшать количество акриламида в подвергнутом тепловой обработке пищевом продукте. Ослабление клеточной стенки позволяет аспарагиназе легче проникать в клетку и инактивировать аспарагин, который известен как предшественник акриламида. В одном из вариантов осуществления ослабление клеточных стенок происходит при повышенной температуре от около 100 до около 212°F.
Температуры в верхней части указанного диапазона могут применяться для ослабления клеточных стенок теста, используемого для изготовления пищевых продуктов из полуфабрикатов. Температуры в нижней части указанного диапазона, например, от около 100 до около 150°F, более предпочтительно от 100 до около 120°F могут применяться для ослабления клеточных стенок цельного или не изготавливаемого из полуфабрикатов пищевого продукта, такого как картофельные ломтики.
Одним из способов ослабления или проникновения через клеточную стенку является обработка ломтиков картофеля энергией ультразвукового излучения, чтобы ослабить клеточную стенку и помочь ферменту проникнуть внутрь клеточной стенки. В одном из вариантов осуществления энергией ультразвукового излучения воздействуют по меньшей мере в течение 30 секунд. В одном из вариантов осуществления энергией ультразвукового излучения воздействуют в течение от 30 секунд до около 60 минут. Разумеется, эти диапазоны приведены в качестве иллюстрации, а не ограничения. На пищевой продукт можно воздействовать любым обладающим синергетическим эффектом количеством энергии ультразвукового излучения.
Обладающими синергетическим эффектом количествами являются количества, которые (а) обеспечивают больший процент снижения содержания акриламида или аспарагина в пищевом продукте с использованием только уменьшителя содержания акриламида любого типа или (b) снижают содержание акриламида или аспарагина соизмеримо с одним уменьшителем содержания акриламида или уменьшителем содержания аспарагина с меньшими побочными воздействиями на характеристики (такие как цвет, вкус и текстура) конечного продукта в результате добавления акриламида или уменьшителя содержания аспарагина в технологический процесс.
Было проведено несколько испытаний, чтобы установить зависимость снижения содержания аспарагина в ломтиках картофеля, обработанных энергией ультразвукового излучения, от различных эксплуатационных условий. Для проведения каждого ультразвукового исследования 600 граммов картофеля очистили от кожуры, нарезали ломтиками толщиной около 0,053 дюйма и в течение около 40 минут вымачивали примерно в 17 литрах воды с температурой 120°F при четырех различных условиях испытания. По три ломтика картофеля из каждого испытания подвергли анализу на содержание аспарагина и определили среднюю величину для каждого испытания.
В 1-м испытании использовали контрольный образец, для получения которого около 600 граммов очищенного от кожуры картофеля, нарезанного ломтиками толщиной около 0,053 дюйма, примерно на 2 минуты поместили в воду с температурой около 78°F. Было взято три ломтика для анализа на аспарагин и установлено, что средняя концентрация аспарагина составляет около 1,96% по весу. Если только не указано иное, все единицы концентрации аспарагина приведены в процентах по весу. В ходе 2-го испытания ломтики картофеля в течение около 40 минут вымачивали в воде с температурой около 120°F, а затем определили, что концентрация аспарагина составляет около 0,77% по весу, что примерно на 61% ниже, чем в контрольном образце. В ходе 3-го испытания было повторено 2-е испытание, при этом использовали около 100000 единиц аспарагиназы в воде, а концентрация аспарагина составляла около 0,44% по весу, что примерно на 78% ниже, чем в контрольном образце. В ходе 4-го испытания было повторено 3-е испытание, при этом на ломтики картофеля, помещенные в ультразвуковой аппарат для вымачивания (производства компании Branson Ultrasonics Corp., Дэнбери, штат Коннектикут, США), воздействовали энергией ультразвукового излучения на частоте около 68 кГц, а концентрация аспарагина составляла около 0,10% по весу, т.е. снизилась примерно на 95%. В ходе 5-го испытания было повторено 4-е испытание за исключением того, что на ломтики картофеля воздействовали энергией ультразвукового излучения на частоте около 170 кГц вместо около 68 кГц, а средняя концентрация аспарагина составляла около 0,11% по весу, т.е. снизилась примерно на 94%. Результаты испытаний в сводном виде представлены далее в таблице 36.
Таблица 36
Сравнительный анализ обработки ультразвуком ломтиков картофеля в ферментном растворе
Испытание
Время вымачивания
Раствор
Ультразвуковая энергия
Аспарагин, % по весу
Снижение
1
2 минуты
78°F, вода
-
1,96
0%
2
40 минут
120°F, вода
-
0,77
61%
3
40 минут
120°F, 100000 единиц аспарагиназы
-
0,44
78%
4
40 минут
120°F, 100000 единиц аспарагиназы
68 кГц
0,10
95%
5
40 минут
120°F, 100000 единиц аспарагиназы
170 кГц
0,11
94%
Данные из таблицы 36 ясно подтверждают теорию, согласно которой воздействие на ломтики картофеля энергией ультразвукового излучения способно дополнительно снижать концентрацию аспарагина. Снижение содержания аспарагина в 4-м испытании на 22% превысило показатель 3-го испытания ([78-95%]/78%). Как доказывает 2-е испытание, вымачивание в воде при повышенной температуре также способно делать клеточные стенки более пористыми.
Что касается физических механизмов, в одном из вариантов осуществления для ослабления клеточной стенки на ломтики воздействуют вакуумом. В одном из вариантов осуществления ломтики обрабатывают известью, а затем вымачивают в ферментном растворе под действием вакуума. Не будучи связанными какой-либо теорией, мы предполагаем, что под действием вакуума клеточная стенка растягивается и в этот момент фермент может проникнуть через клеточную стенку. Предварительная обработка известью или другая обработка, такая как обработка ультразвуком, способна ослаблять клеточные стенки ломтиков, а под действием вакуума клеточные стенки этих обработанных ломтиков могут ослабляться даже еще легче.
В одном из вариантов осуществления используют перепад давлений, чтобы принудительно внедрить в картофель уменьшитель содержания акриламида, такой как аспарагиназа. Используемый в описании термин "перепад давлений" означает давление, отличающееся от атмосферного давления, при этом перепад давлений может иметь положительную величину или отрицательную величину (вакуум). Например, картофель может быть подвергнут действию вакуума 20-30 фунтов на кв. дюйм в присутствии раствора аспарагиназы или другого уменьшителя содержания акриламида. Под действием вакуума более высоких уровней, включая полный вакуум, может произойти разрыв клеточных стенок. Не будучи связанными какой-либо теорией, мы предполагаем, что под действием вакуума более низких уровней расширение порового пространства внутри клеток картофеля может быть недостаточным для того, чтобы уменьшитель содержания акриламида мог проникнуть в ломтик картофеля.
В одном из вариантов осуществления перепад давлений представляет собой пульсирующий перепад или цикл положительного или отрицательного давления для многократного создания и разгрузки вакуума, чтобы клеточная стенка многократно расширялась и сужалась и происходило ослабление или прокалывание клеточной поверхности, в результате чего повышается вероятность проникновения фермента через клеточную стенку. В одном из вариантов осуществления перепад давлений применяют на протяжении по меньшей мере двух циклов.
Было проведено несколько испытаний, чтобы определить зависимость снижения содержания аспарагина в ломтиках картофеля, обработанных вакуумом, от различных условий эксплуатации. Для каждого испытания очистили от кожуры 420 граммов картофеля и нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма. Если не указано иное, по четыре ломтика картофеля из каждого испытания анализировали на содержание аспарагина и определяли среднее значение для каждого испытания. В каждом испытании использовали около 210 граммов ломтиков картофеля и около 7 литров воды. Испытания проводили с использованием воды с двумя температурами: комнатной температурой около 75°F и повышенной температурой около 120°F. Время вымачивания варьировали, как и добавление аспарагиназы в раствор. Кроме того, некоторые образцы помещали в вакуумную нагнетательную установку, в которой поддерживалось давление -20 фунтов на кв. дюйм. В качестве вакуумной нагнетательной установки может использоваться вакуумный барабан модели VTS-42 производства компании Biro Manufacturing, Марблхед, штат Огайо, США. Условия и результаты испытания в обобщенном виде приведены далее в таблице 37.
Таблица 37
Влияние вакуума/пульсирующего вакуума на ломтики картофеля
Аспарагин (моли)
Снижение
Испытание
Время вымачивания (мин)
Температура вымачивания (°F)
Вакуум 20 фунтов на кв. дюйм
7000 Единиц фермента
Средняя величина
%
1
6
120
704
-
2
6
120
530
25
3
6
120
X
509
28
4
6
120
X
X
572
19
5
3×2
120
X
545
23
6
3×2
120
X
X
439
38
7
6
Комнатная
449
36
8
6
Комнатная
X
153
78
9
6
Комнатная
X
X
168
76
10
3×2
Комнатная
X
131
81
11
3×2
Комнатная
X
X
175
75
12
12
Комнатная
138
80
13
12
Комнатная
X
233
67
14
12
Комнатная
X
X
133
81
15
6×2
Комнатная
X
107
85
16
6×2
Комнатная
X
X
71
90
*Средняя величина для трех испытаний
В ходе 1-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали при температуре 120°F. В ходе 2-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F. В ходе 3-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды при температуре 120°F в вакуумной нагнетательной установке под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 4-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F в вакуумной нагнетательной установке под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 5-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение трех отдельных интервалов по 2 минуты каждый в 14 литрах воды при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв.дюйм. В промежутках между двухминутными интервалами разгружали и снова создавали вакуум. В ходе 6-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 3 интервалов по 2 минуты каждый в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В промежутках между интервалами также разгружали и снова создавали вакуум. В ходе 7-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали при комнатной температуре. В ходе 8-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали при комнатной температуре в 14 литрах воды под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 9-го испытания ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 10-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 3 интервалов по 2 минуты каждый в 14 литрах воды при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В промежутках между интервалами также разгружали и снова создавали вакуум. В ходе 11-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 3 интервалов по 2 минуты каждый в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В промежутках между интервалами разгружали и снова создавали вакуум. В ходе 12-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 12 минут при комнатной температуре. В ходе 13-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 12 минут при комнатной температуре в 14 литрах воды под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 14-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение 12 минут в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе 15-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение шести интервалов по две минуты каждый в 14 литрах воды при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В промежутках между интервалами разгружали и снова создавали вакуум. В ходе 16-го испытания ломтики картофеля вымачивали в течение шести интервалов по две минуты каждый в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В промежутках между интервалами также разгружали и снова создавали вакуум.
Данные из таблицы 37 ясно подтверждают теорию, согласно которой воздействие на ломтики картофеля вакуумом способно дополнительно снижать концентрацию аспарагина. Например, по результатам 3-го испытания с использованием вакуума снижение содержания аспарагина на 12% ([25-28%]/25%) превысило показатель 2-го испытания.
Аналогичным образом, снижение содержания аспарагина по результатам 8-го испытания более чем на 100% превысило показатель 7-го испытания. Возможно, эти результаты преувеличены вследствие различий в естественных уровнях содержания аспарагина в испытуемых образцах. Вероятнее всего, картофель, использованный для 13-го испытания, по результатам которого содержание аспарагина превысило показатель 12-го испытания, даже несмотря на использование вакуума в 13-м испытании имел значительно более высокое естественное содержание аспарагина, чем картофель, использованный для 12-го испытания.
Кроме того, как показывает 6-е испытание, при использовании пульсирующего вакуума или при троекратной разгрузке, повторном создании и разгрузке вакуума снижение содержания аспарагина увеличивается с 19 до 38% в 4-м испытании с использованием фермента в растворе. Помимо этого, как показывает сравнение 16-го испытания с 14-м испытанием, в результате использования пульсирующего вакуума снижение содержания аспарагина увеличивалось более чем на 10% ([81-90%]/81%). Таким образом, ясно, что для эффективного снижения количества аспарагина в ломтиках картофеля может применяться вакуум в пульсирующем режиме.
В одном из вариантов осуществления ломтики картофеля могут быть промыты другими соответствующими хелатообразующими веществами или веществами, которые образуют комплексы с аспарагином, в результате чего аспарагин становится недоступен для реакции образования акриламида.
Было проведено несколько испытаний, чтобы установить зависимость между обработкой ломтиков картофеля известью и различными условиями эксплуатации. Результаты приведены далее в таблице 38.
Таблица 38
Влияние извести на картофель
Аспарагин (г%)
Снижение
Испытание
Условия испытаний
Средняя величина
%
Испытание 1
2 мин/комнатная температура
0,93
0
Испытание 2
6 мин/120°F
0,92
1
Испытание 3
6 мин/120°F/2% известь
0,51
45
Испытание 4
6 мин/120°F/2% известь/вакуум/ фермент
0,63
33
Испытание 5
6 мин/120°F/фермент/вакуум
0,54
42
Испытание 6
6 мин/120°F/2% известь/фермент/вакуум
0,56
39
Испытание 7
6 мин/120°F/2% известь/вакуум/фермент/промывание/фермент
0,26
72
Для каждого испытания очистили от кожуры 840 граммов картофеля, нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма и вымочили в 28 литрах воды. В ходе испытания 1 ломтики картофеля в течение 2 минут вымачивали в воде при комнатной температуре. В ходе испытания 2 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в воде при температуре 120°F. Вероятной причиной сходных концентраций аспарагина, полученных по результатам испытания 1 и испытания 2, являются колебания естественного уровня содержания аспарагина. В ходе испытания 3 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в воде, содержащей 2% раствор извести, при температуре 120°F. В ходе испытания 4 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 2% растворе извести при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. Затем ломтики промыли и в течение 10 минут вымачивали в 28 литрах воды, содержащей 14000 единиц фермента, при температуре 120°F. В ходе испытания 5 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 28 литрах воды, содержащей 14000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 6 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 2% растворе извести при температуре 120°F. Затем ломтики промыли в течение 5 минут и в течение 10 минут вымачивали в 28 литрах воды, содержащей 14000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 7 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 2% растворе извести при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. Затем ломтики промыли в течение 5 минут и в течение 10 минут вымачивали в 28 литрах воды, содержащей 14000 единиц фермента, при температуре 120°F. Как следует из испытания 3, только в результате вымачивания в 2% растворе извести вместо воды значительно увеличивается показатель снижения содержания аспарагина. Указанное выше содержание извести приведено для иллюстрации, а не в качестве ограничения. В одном из вариантов осуществления ломтики могут быть вымочены в растворе, содержащем от 0,1 до около 2% по весу извести. Известь может использоваться в концентрациях выше 2% по весу, но в этом случае она начинает влиять на вкус и аромат конечного продукта.
Другой способ проникновения через клеточную стенку состоит в предварительном нагреве сырых ломтиков посредством энергии сверхвысокочастотного излучения, чтобы влага, удаляемая изнутри ломтиков (сверхвысокочастотное излучение предпочтительно удаляет влагу изнутри продукта, а не с его поверхности), создавала пути или каналы, которые могут служить для внедрения фермента при вымачивании обработанных ломтиков в ферментном растворе. В одном из вариантов осуществления подвергают сверхвысокочастотному облучению цельный картофель, чтобы снизить внутреннее содержание влаги с естественного уровня около 80% до около 60%. В результате потери влаги внутри картофеля могут образовываться каналы, которые может использовать аспарагиназа для проникновения внутрь клубня при вымачивании ломтиков в ферментном растворе.
Было проведено несколько испытаний ломтиков картофеля с целью анализа дополнительного влияния энергии сверхвысокочастотного излучения на снижение содержания аспарагина. Для каждого испытания очистили от кожуры 420 граммов картофеля и нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма. Если не указано иное, по четыре ломтика картофеля из каждого испытания анализировали на содержание аспарагина и определяли среднее значение для каждого испытания. В каждом испытании использовали около 210 граммов ломтиков картофеля, которые вымачивали примерно в 7 литрах раствора. Испытания проводили с использованием раствора с двумя температурами: с комнатной температурой около 75°F и повышенной температурой около 120°F. Время вымачивания варьировали, как и добавление аспарагиназы в раствор. Кроме того, некоторые образцы помещали в вакуумную нагнетательную установку, в которой поддерживалось давление -20 фунтов на кв. дюйм. Условия и результаты испытания в обобщенном виде приведены далее в таблице 39.
Таблица 39
Влияние выявленного воздействия сверхвысокочастотного излучения/вакуума на ломтики
Аспарагин (г%)
Снижение
Испытание
Условия
Средняя величина
%
1*
2-мин вымачивание/комнатная температура
1,67
0
2
6-мин вымачивание/комнатная температура
0,56
66
3
6-мин вымачивание и аспарагиназа и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм/комнатная температура
0,64
62
4
10-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание/комнатная температура
0,57
66
5
30-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание/ комнатная температура
0,52
69
6
1-мин СВЧ-излучение/6-мин вымачивание/комнатная температура
0,54
68
7
10-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа/ комнатная температура
0,53
68
8
30-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа/комнатная температура
0,53
68
9
1-мин СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа/комнатная температура
0,37
78
10
10-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа/120°F
0,56
66
11
30-сек СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа /120°F
0,42
75
12**
1-мин СВЧ-излучение/6-мин вымачивание и вакуум -20 фунтов на кв. дюйм и аспарагиназа/120°F
0,50
70
* Средняя величина для трех испытаний** Величина для одного испытания
В ходе контрольного испытания 1 ломтики картофеля в течение 2 минут вымачивали при комнатной температуре. В ходе испытания 2 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали при комнатной температуре. В ходе испытания 3 ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 4 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 10 секунд, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды при комнатной температуре. В ходе испытания 5 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 30 секунд и в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды при комнатной температуре. В ходе испытания 6 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 1 минуты, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды при комнатной температуре. В ходе испытания 7 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 10 секунд, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом -20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 8 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 30 секунд, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 9 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 1 минуты. Ломтики в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 10 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 10 секунд. Ломтики картофеля в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 11 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 30 секунд, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм. В ходе испытания 12 ломтики картофеля подвергали сверхвысокочастотному облучению в течение 1 минуты, а затем в течение 6 минут вымачивали в 14 литрах воды, содержащей 7000 единиц фермента, при температуре 120°F под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм.
Применение сверхвысокочастотного излучения также способно усилить снижение содержания аспарагина в ломтиках картофеля. Например, если сравнить результаты испытания 2 с результатами испытаний с 4 по 6, при всех прочих равных условиях, по-видимому, предварительная обработка ломтиков картофеля сверхвысокочастотным излучением в течение 10 секунд оказывает небольшое влияние или вообще не оказывает влияния. Вместе с тем, при 30-секундной обработке сверхвысокочастотным излучением с последующим 6-минутным вымачиванием при комнатной температуре снижение содержания аспарагина в ломтиках картофеля составило 69%, что превышает показатель снижения на 66%, достигнутый без предварительной обработки сверхвысокочастотным излучением.
В результате предварительной обработки сверхвысокочастотным излучением в течение 1 минуты содержание аспарагина снижалось на 68%. Кроме того, если сравнить результаты испытания 3 с результатами испытаний с 7 по 9, в случае предварительной обработки сверхвысокочастотным излучением происходит значительно большее снижение содержания аспарагина. Например, в случае испытания 3 содержание аспарагина в ломтиках картофеля, которые в течение 6 минут вымачивали в растворе аспарагиназы при комнатной температуре под вакуумом 20 фунтов на кв. дюйм, снизилось на 62%. Тем не менее, в случае предварительной обработки ломтиков картофеля сверхвысокочастотным излучением в течение 10 секунд до проведения такой же обработки, как в испытании 3, снижение содержания аспарагина составило 68%, а в случае предварительной обработки сверхвысокочастотным излучением в течение 1 минуты снижение содержания аспарагина составило 78%, как следует из испытания 9. Следовательно, предварительная обработка сверхвысокочастотным излучением может способствовать снижению содержания аспарагина в ломтиках картофеля.
В одном из вариантов осуществления в ломтиках картофеля создают "течь", чтобы крупные молекулы фермента, такого как аспарагиназа, могли проникать в клеточную структуру и вступать в реакцию с аспарагином внутри ломтиков. Соответствующие ходы могут быть созданы механически путем проделывания в поверхности (см. патенты 4889733 и 4889737) ломтиков небольших отверстий с помощью шприцев или других механических приспособлений.
В качестве альтернативы, в одном из вариантов осуществления механизм ослабления клеточных стенок предусматривает использование одного или нескольких ферментов, ослабляющих клеточные стенки. С помощью фермента, например целлюлазы или гемицеллюлазы, которая атакует клеточные стенки крахмального зерна, в клеточных стенках могут быть созданы ходы. Клеточная стенка может быть ослаблена путем введения в контакт с одним или несколькими ферментами, ослабляющими клеточные стенки, включающими без ограничения целлюлазу, эндоглюканазу, эндо-1,4-бета-глюканазу, карбоксиметилцеллюлозу, эндо-1,4-бета-D-глюканазу, бета-1,4-глюканазу, бета-1,4-эндоглюкангидролазу, целлюлоздекстриназу, авицелазу, ксиланазу и гемицеллюлазу. В одном из вариантов осуществления может использоваться сочетание одного или нескольких ферментов, ослабляющих клеточные стенки, для получения ослабляющего клеточные стенки ферментного раствора. Затем ослабляющий клеточные стенки ферментный раствор может быть введен в контакт с пищевым продуктом растительного происхождения, чтобы ослабить его клеточные стенки. За счет ослабления клеточных стенок с помощью ослабляющего клеточные стенки фермента облегчается проникновение аспарагиназы внутрь клеточных стенок. Было проведено несколько испытаний ломтиков картофеля с целью анализа дополнительного влияния фермента, который атакует клеточную стенку, на снижение содержания аспарагина. Для каждого испытания очистили от кожуры 840 граммов картофеля и нарезали ломтиками толщиной 0,053 дюйма. В каждом испытании использовали около 840 граммов ломтиков картофеля, вымоченных примерно в 28 литрах раствора. Испытания проводили при повышенной температуре около 120°F, а время вымачивания составляло 10 минут. Условия и результаты испытания в обобщенном виде приведены далее в таблице 40.
Таблица 40
Влияние выявленного воздействия ослабляющего клеточные стенки фермента на ломтики
Аспарагин (нмоль/г)
Снижение
Испытание
Условия
Средняя величина
%
1
2-мин вымачивание при 120°F
733
0
2
10-мин вымачивание при 120°F
493
32,7
3
10-мин вымачивание в лимонной кислоте при 120°F и рН 4 и 5-мин промывание
277
62,2
4
10-мин вымачивание в лимонной кислоте при 120°F и рН 4/0,84 г VISCOZYME и 5-мин промывание
434
40,8
5
10 мин вымачивание в лимонной кислоте при 120°F и рН 4/0,84 г VISCOZYME и ультразвуковое облучение на частоте 68 кГц и 5-мин промывание
185
74,7
6
10 мин вымачивание в лимонной кислоте при 120°F и рН 4 /0,84 г VISCOZYME и ультразвуковое облучение на частоте 68 кГц и 5-мин промывание. 10-мин вымачивание в 28 л воды, содержащей 14000 единиц фермента
33
95,5
В ходе контрольного испытания 1 ломтики картофеля в течение 2 минут вымачивали при температуре 120°F. После вымачивания ломтики промывали в течение 5 минут и определили содержание аспарагина. В ходе испытания 2 ломтики картофеля в течение 10 минут вымачивали в воде при температуре 120°F. После вымачивания ломтики промывали в течение 5 минут и определили содержание аспарагина. В ходе испытания 3 ломтики картофеля вымачивали в течение 10 минут в 28 литрах с рН 4 после добавления лимонной кислоты. После вымачивания ломтики промывали в течение 5 минут и определили содержание аспарагина. В ходе испытания 4 ломтики картофеля в течение 10 вымачивали минут в 28 литрах воды, содержащей 0,84 грамма VISCOZYME, с рН 4 после добавления лимонной кислоты. VISCOZYME представляет собой сочетание ферментов, содержащее ряд карбогидраз, включая арабаназу, целлюлазу, бета-глюканазу, гемицеллюлазу и ксиланазу. VISCOZYME производит компания Novozymes (Дания). После вымачивания ломтики промывали в течение 5 минут и определили содержание аспарагина. В ходе испытания 5 повторили испытание 4, при этом на ломтики картофеля воздействовали энергией ультразвукового излучения на частоте около 68 кГц. В ходе испытания 6 повторили испытание 5, после чего в течение 10 минут вымачивали ломтики картофеля в 28 литрах раствора, содержащего 14000 единиц аспарагиназы.
Данные из таблицы 40 ясно подтверждают теорию, согласно которой воздействие ослабляющего клеточные стенки фермента в сочетании с аспарагиназой способно дополнительно снижать концентрацию аспарагина в ломтиках картофеля. При использовании средств ослабления клеточных стенок (например, ультразвуковой энергии одновременно с ослабляющим клеточные стенки ферментом, как это показано на примере испытания 5) может быть достигнуто даже еще большее снижение содержания аспарагина. Например, снижение содержания аспарагина по результатам испытания 5 на 20% превысило показатель испытания 3 ([62.2-74.7%]/62.2%). Как следует из испытания 6, в случае применения ослабляющего клеточные стенки фермента в сочетании с ультразвуковой энергией клеточные стенки могут становиться более пористыми, за счет чего аспарагиназа может дополнительно эффективно снижать содержание остающегося аспарагина. Например, как показывает испытание 6, в результате применения аспарагиназы снижение содержания аспарагина на 21% ([74.7-95.5%]/74.7%) превысило показатель, достигнутый в результате испытания 5 без использования аспарагиназы.
В одном из вариантов осуществления в картофель могут вводиться насадки или зонды, чтобы "закачивать" в него необходимое количество аспарагиназы, как это делается при мариновании цельного цыпленка.
Хотя изобретение конкретно рассмотрено и описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что применимы различные другие не выходящие за пределы существа и объема настоящего изобретения подходы к снижению содержания акриламида в подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах с использованием двух или более добавляемых уменьшителей содержания акриламида. Например, хотя в описании речь идет в основном о продуктах из картофеля и кукурузы, изобретение также применимо для обработки пищевых продуктов из ячменя, пшеницы, риса, овса и других углеводистых зерновых, а также других пищевых продуктов, содержащих аспарагин и восстанавливающий сахар, таких как сладкий картофель, лук и другие овощи. Кроме того, способ, описанный применительно к картофельным и кукурузным чипсам, также применим для обработки множества других изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктов, таких как закусочные чипсы других типов, сухие завтраки, печенье, крекер, твердые крендели, хлебобулочные изделия и панировочные смеси для мяса. Изобретение применимо во всех "изготавливаемых из полуфабрикатов закусочных продуктах", "изготавливаемых из полуфабрикатов пищевых продуктах" и "подвергнутых тепловой обработке пищевых продуктах", которые содержат аспарагин, в значении, которое дано этим терминам и пояснено в описании.