Введение. Как известно, продукты, изготовленные на основе зерновых культур, имеют высокую питательную ценность и характеризуются наличием разнообразных биологически активных веществ, в том числе витаминов, антиоксидантов, бета-глюканов, бетаинов и минеральных элементов [1–3]. Доказано, что пищевая и функциональная ценность таких продуктов находится в тесной зависимости, по крайней мере, от трех факторов: 1) генотипа (вид, сорт); 2) условий выращивания растений; 3) технологии получения продуктов. Первые два фактора могут поддаваться прямому или косвенному контролю на этапах выращивания растений. Третий фактор целиком находится в руках специалиста-технолога.
В последние годы наряду с выведением новых сортов и оптимизацией приемов выращивания сельскохозяйственных культур интенсивно ведутся научные исследования влияния обработки зернового сырья на физико-химические характеристики пищевых продуктов, получаемых на его основе. Анализируя публикации, представленные в мировой литературе, можно отметить, что с помощью различных технологических приемов воздействия на зерно, например формирования в образце определенного распределения зерновых частиц по размеру, можно как увеличить, так и уменьшить содержание тех или иных биологически активных веществ в конечном пищевом продукте, а также их биодоступность [4].
Необходимо подчеркнуть недостаточное количество проведенных в мире исследований, посвященных обоснованию оптимального режима обработки зернового сырья, в частности получения нужного размера частиц в различных пищевых продуктах, производимых на основе зерна по критерию «максимальное содержание определенного ценного вещества».
Цель работы. Краткий анализ англоязычной научной литературы по влиянию размера частиц зернового сырья на пищевую и функциональную ценность получаемых на его основе продуктов. Настоящий обзор предназначен главным образом для отечественных ученых и специалистов: диетологов, технологов пищевых производств и биотехнологов.
Результаты исследования и их обсуждение. Влияние размера частиц зернового сырья на содержание в нем биологически активных веществ. Сегодня при исследовании различных технологических приемов обработки зерна, например его помола, результат оценивают, как правило, по выходу муки, показателю зольности и потреблению энергии [5]. При этом содержанию в получаемых продуктах биологически активных соединений внимания уделяется недостаточно. Понимание влияния обработки зернового сырья на изменение присутствия в нем таких веществ позволяет оптимизировать технологические процессы по критерию «повышение/сохранение пищевой и функциональной ценности конечных продуктов».
Исследовали влияние ультрадисперсного измельчения на микроструктуру и физико-химические свойства пшеничной муки. Для получения трех фракций пшеничной муки с различным размером частиц: 62, 23, 11 мкм (127 мкм в контроле) применялись различные режимы измельчения зерна. В результате было установлено, что с повышением интенсивности этого процесса скорость гидролиза крахмала демонстрировала более высокие значения [6]. Показано, что распад (гидролиз) крахмала у твердой пшеницы зависел от размера зерновых частиц. После измельчения зерна наблюдавшиеся структурные изменения крахмала и его распад были значительно большими у частиц с размером менее 53 мкм по сравнению с грубыми фракциями зерна [7]. В другом исследовании измельчали кукурузную крупу в течение различного времени (от 3,5 до 14 мин) и оценивали ее характеристики с помощью различных физических и химических методов. Установлено, что по мере уменьшения размера частиц достоверно увеличивалось содержание гидролизованного крахмала. При этом на содержание белка измельчение влияния не оказывало [8].
Найдено, что размер зерновых частиц по-разному влияет на содержание в них различных биологически активных соединений. В опытах определяли влияние размера частиц цельнозерновой пшеничной муки на содержание в ней фенольных кислот, белка, общего жира, сырой клетчатки, общих углеводов и золы. Для выполнения исследования были использованы пять различных фракций частиц зерна трех коммерческих сортов пшеницы размером от 80 до 1180 мкм. Максимальные количества фенольных кислот, золы и белка были найдены во фракциях цельнозерновой муки с размерами частиц от 430 до 1180 мкм. Содержание общего жира и сырой клетчатки было самым высоким в зерновой фракции – 300–430 мкм. Анализ показал положительную корреляционную связь между размером частиц и содержанием в них фенольных кислот и отрицательную корреляцию с содержанием углеводов [9].
В другой работе пшеничную муку обогащали цельной ячменной мукой, имеющей различные средние размеры частиц: 237 мкм (обычная), 131 мкм (промежуточная) и 68 мкм (микрогранулы). Исследовали микроструктурные изображения муки, теста и лепешек, анализировали влажность, содержание золы, белка, крахмала и β‐глюкана. В результате было установлено, что по мере уменьшения размера частиц ячменной муки концентрация белка, влажность и стабильность теста снижались, содержание золы, крахмала, водопоглощение увеличивались, а содержание β‐глюкана оставалось постоянным [10]. Показано, что в национальном хакасском зерновом продукте талгане, изготовленном из овса, увеличение относительной доли фракций размером менее 1 мм способствовало повышению величины суммарного содержания антиоксидантов в продукте. По предположению авторов, причиной найденного эффекта является более эффективная экстракция антиоксидантов из зерновых частиц меньшего размера, а также более высокая относительная доля в продукте таких частиц, характеризующихся повышенным содержанием антиоксидантов [11].
Влияние размера частиц отрубей на содержание и доступность в них биологически активных веществ. Пищевые волокна относятся к важным биологически активным соединениям, которые необходимо включать в диету. Среди различных продуктов питания хлеб является практически идеальным объектом для введения пищевых волокон в диету человека. Зерновые отруби (главным образом пшеничные, ячменные, овсяные, ржаные) представляют собой побочные продукты при производстве муки и обладают большим функциональным потенциалом благодаря высокому содержанию в них пищевых волокон, антиоксидантов, микроэлементов и других биологически активных соединений [12, 13]. Поэтому отруби могут быть использованы в качестве пищевого ингредиента для повышения функциональной ценности зерновых продуктов или как исходный материал в технологических процессах дальнейшей переработки сырья.
О влиянии размера частиц отрубей на пищевую и функциональную ценность продуктов в литературе имеются противоположные мнения. Так, показан положительный эффект грубой обработки отрубей на их антиоксидантные свойства. В проведенных экспериментах пшеничные немолотые отруби (грубая обработка) сравнивались с отрубями, измельченными в режимах среднего и тонкого помола. В образцах измеряли антиоксидантные свойства, содержание каротиноидов и фенольных соединений. В результате было обнаружено, что образцы грубо обработанных отрубей почти по всем параметрам проявляли значительно более высокие антиоксидантные свойства по сравнению с тонко обработанными, за исключением значения поглощающей способности кислородных радикалов, которое у образцов, подвергнутых грубой обработке, было на 80 % ниже [14]. В другой работе изучали влияние размера частиц препаратов пищевых волокон на биологическую доступность в хлебе витаминов группы В. Авторы использовали три различных фракции препаратов с размерами частиц 100, 190 и 280 мкм, в которых содержание пищевых волокон было 2,1; 7,2 и 12,3 % соответственно. Результаты показали, что уменьшение размера частиц пищевых волокон может негативно влиять на биологическую доступность тиамина, рибофлавина и пиридоксина. Установленная в работе оптимальная величина размера частиц пищевых волокон (124 мкм) может быть использована для обогащения пшеничного хлеба без существенного влияния на уровень и биологическую доступность витаминов группы В [15]. Исследовали влияние размера частиц овсяных отрубей и их содержания в хлебе на молекулярную массу, растворимость и вязкость экстракта β-глюкана. Было обнаружено, что получение более мелких частиц сопровождается снижением молекулярной массы β-глюкана и увеличением его экстрагируемости, что приводило к общему увеличению вязкости экстракта по сравнению с крупными частицами. Найдено, что хлеб с включением 30 % тонкоизмельченных, но не грубых овсяных отрубей индуцирует уровень вязкости экстракта, проявляющий потенциальный эффект снижения уровня холестерина [16].
В других работах зарегистрированный эффект размера частиц отрубей был противоположным. Так, с помощью высокоэнергетического измельчения получали 10 фракций отрубей с различной физической структурой. В результате было показано, что при уменьшении среднего размера частиц со 172 до 30 мкм и соответственно увеличении их удельной поверхности с 0,09 до 0,26–0,30 м2/г антиоксидантная способность отрубей возросла в полтора раза. Установлено, что антиоксидантная способность фракций отрубей линейно коррелировала с удельной поверхностью и долей частиц размером менее 50 мкм, связанных с долей разрушенных алейроновых клеток. Этот положительный эффект сохранялся и в условиях модельного желудка in vitro, доказывая, что измельчение можно использовать для получения фракций пшеничных отрубей с более высокой функциональной ценностью [17]. В литературе этот результат удалось подтвердить, установив, что антиоксидантная активность пшеничных отрубей обратно пропорциональна размеру их частиц. Авторы изучали влияние ультрадисперсного измельчения пшеничных отрубей на повышение биологической доступности п-кумаровой, синаповой и феруловой кислот. В экспериментах использовались фракции отрубей для выпечки белого, цельнозернового хлеба и семи различных видов хлеба, богатых отрубями. Исследование проводили с помощью модели желудочно-кишечного тракта in vitro. Найдено, что количество биологически доступных фенольных кислот было выше в цельнозерновом хлебе и хлебе, богатом отрубями, по сравнению с белым хлебом. При этом чем мельче были частицы отрубей в хлебе, тем более биологически доступны были фенольные кислоты [18]. Согласно данным других авторов, с уменьшением размера частиц отрубей наблюдалось значительное увеличение экстрагируемых из них фенольных кислот, флавоноидов, антоцианов и каротиноидов [14].
Овсяные отруби измельчали на мельнице с тремя различными скоростями – 9000, 14000 и 42000 об/мин. Анализ показал, что наибольшее содержание β-глюканов было зарегистрировано во фракциях отрубей с размером частиц более 90 мкм, полученных в условиях наибольшего измельчения, при 42000 об/мин [19]. Найдено, что фракция, представленная мелкозернистой крупкой, имела самое высокое содержание общего количества пищевых волокон, β-глюканов, золы и белка [20]. Авторы другого исследования проводили сравнение физико-химических свойств пяти различных измельченных фракций рисовой муки, обработанной методом сверхтонкого измельчения и шлифования. В итоге было установлено, что с уменьшением размера частиц муки активность амилазы увеличивалась [21]. О положительном влиянии уменьшения размера частиц пшеничных отрубей сообщалось в работе [22]. В ней с помощью метода ультрадисперсного измельчения было показано, что по мере снижения размера частиц наблюдалось перераспределение компонентов пищевых волокон из нерастворимых в растворимые фракции.
Сводные результаты влияния размера зерновых частиц на пищевую и функциональную ценность получаемого на их основе продукта представлены в таблице.
Влияние размера зерновых частиц на пищевую и функциональную ценность
получаемого на их основе продукта
|
Зерновая культура |
Объект |
Размер зерновых частиц, мкм |
Функциональный показатель |
Источник |
|
Пшеница |
Зерно |
300-430 |
Максимальное содержание жира, клетчатки |
9 |
|
Пшеница |
Зерно |
430-1180 |
Максимальное содержание фенольных кислот |
9 |
|
Ячмень |
Зерно |
152-177 |
Максимальное содержание белка |
23 |
|
Пшеница |
Отруби |
< 50 |
Увеличение антиоксидантной способности |
17 |
|
Пшеница |
Пищевые волокна |
124 |
Оптимальная доступность витаминов группы В |
15 |
|
Пшеница |
Отруби |
50 |
Максимальная антиоксидантная способность |
24 |
|
Овес |
Талган |
< 1000 |
Увеличение суммарного содержания антиоксидантов |
11 |
|
Овес |
Отруби |
> 90 |
Увеличение содержания β-глюканов |
19 |
|
Пшеница |
Зерно |
160 |
Оптимальное качество клейковины |
25 |
|
Пшеница |
Зерно |
195 |
Снижение качества клейковины |
26 |
|
Пшеница |
Отруби |
> 280 |
Снижение качества хлеба |
27 |
|
Ячмень |
Зерно |
< 45 |
Снижение эффективности сухого фракционирования |
28 |
|
Пшеница |
Отруби |
150 |
Уменьшение дисбактериоза кишечника |
29 |
Заключение. Таким образом, установлено, что размер зерновых частиц является одним из основных параметров, который следует учитывать при рассмотрении пищевой и функциональной ценности получаемых из них продуктов питания. Найдено, что размер частиц измельченного зерна оказывает непосредственное влияние на распределение в нем фенольных кислот, белков, углеводов, сырой клетчатки, золы, сырого жира. Размер зерновых частиц способен влиять на эффективность процесса ферментации пищевых волокон, а также на доступность связанных полифенолов, которые высвобождаются под действием кишечных микробных сообществ и действуют как антиоксиданты. Известно, что сухое фракционирование зерна ячменя и овса дает обогащенный ценными веществами продукт, содержащий пищевые волокна, β-глюканы и токолы. При этом обогащенная β-глюканами фракция отрубей может иметь коммерческий выход или в качестве пищевого ингредиента, и/или в качестве сырья для дальнейшей переработки. Продемонстрировано, что использование фракционирования пшеничных отрубей и включение только некоторых частей отрубей в пищевые продукты может способствовать существенному повышению функционального потенциала последних.
