Изучение функциональных свойств белка является ключевым научным направлением проблемы получения новых форм пищи, обеспечивая разработку рецептур многокомпонентных пищевых систем, выбор процессов и режимов их переработки в пищевые изделия.
Понятие «функциональные свойства белков» охватывает широкий комплекс физико-химических характеристик белоксодержащих водных систем. Это понятие, как правило, относится к свойствам весьма концентрированных, многокомпонентным белоксодержащим систем. Ввиду того, что в этих случаях невозможно предсказать функциональные свойства систем на основе молекулярных характеристик белка, преобладающую роль в их оценке играют различные методы. Поэтому функциональные характеристики исследуют в основном с помощью различных выбираемых методик.
Критерием оценки возможности использования белка в производстве пастильных кондитерских изделий является его пенообразующая способность и устойчивость пены.
Анализ научно-технической литературы показал, что растительные белки, к которым и относится пшеничный белок «Gemtek 2100» обладают достаточной пенообразующей способностью и могут успешно применяться в качестве пенообразователей в производстве пастильных кондитерских изделии.
Однако, данные о пенообразующих свойствах растительных белков весьма противоречивы, а сведения о пенообразующей способности пшеничного белка «Gemtek 2100» отсутствуют, что требует проведения детального анализа и экспериментального подтверждения возможности использования исследуемого белка в технологии пастильных кондитерских изделий в качестве пенообразователя
По данным Зубченко А.В., Магомедова Г.О. и др., на пенообразующую способность и стойкость пены пенообразователей, полученной в процессе сбивания влияют различные факторы: количество белка в растворе, продолжительность сбивания смеси, температура, рН, содержание сахара в белково-водной смеси.
В этой связи, проводили эксперименты на модельной системе «вода - белок», поэтапно исследуя влияние этих факторов на пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100».
В соответствии с поставленной целью в исследованиях были решены следующие задачи:
изучение влияния количество белка в растворе на пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100»
изучение влияния содержания сахара песка в растворе на пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100»
изучение влияния продолжительности сбивания на пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100»
изучение влияния температуры на пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100»
изучение влияния рН раствора пенообразующую способность и стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100»
Для приготовления модельных систем использовали: сахар-песок ГОСТ 21 - 94; пшеничный белок «Gemtek 2100» (Австралия), лимонная кислота ГОСТ 490 - 79;
Пенообразующую способность – количество пены, выраженное объемом или высотой столба, которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение заданного времени.
Стойкость пены – способность пены сохранять общий объем, дисперсный состав по истечению определенного промежутка времени.
Математическую обработку результатов эксперимента проводили методам математической статистики в программе «Маткад» с использованием РС Intel Pentium III.
Пены получали путём сбивания белково-водной смеси при атмосферном давлении.
Пенообразующая способность белков с увеличением их концентрации в растворе повышается. Однако оптимальная, так называемая критическая, концентрация мицеллообразования для белков еще не установлена. Для каждого вида белка она является индивидуальной.
Результаты исследований показали, что пенообразующая способность пшеничного белка «Gemtek 2100» возрастала с увеличением количества белка в суспензии до 120 % и составила 72 %, дальнейшее увеличение количества белка в суспензии приводило к снижению данного показателя. Стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100» возрастала с увеличением количества белка в суспензии до 110 % и составляла 74,2 %, при дальнейшем увеличении количества белка в суспензии не изменялась.
Таким образом, наилучшие показатели пенообразующей способности (70 - 72 %) и стойкости пены (70 - 75 %) достигались при концентрации пшеничного белка «Gemtek 2100» в суспензии 100 – 120 % .
Вероятно, при увеличении количества белка в системе увеличивалась вязкость, и повышалось стабилизирующее действие частиц белка, за счет уменьшения скорости течения жидкости по каналам и пленкам образуемой пены, а также создания определенной зависимости профиля каналов пены и градиента давления дисперсной фазы.
Влияние температуры на пенообразующую способность и стойкость пены неоднозначно, что связано с протеканием многих противоречивых процессов.
С повышением температуры системы до 45 0С увеличивалась пенообразующая способность и составляла 74 %, дальнейшее увеличение температуры приводило к снижению данного показателя.
Стойкость пены при увеличении температура до 25 0С не изменялась и составила 58 %, дальнейшее увеличение температуры системы приводило к снижению данного показателя.
Вероятно, с повышением температуры системы увеличивалась растворимость белка и уменьшалось поверхностное натяжение, что способствовало повышению пенообразующей способности. Вместе с тем с повышением температуры системы, вероятно, усиливались тепловые колебания адсорбированных молекул белка, что приводило к снижению механической прочности поверхностного слоя пленок. Кроме того, вязкость пенообразующего раствора снижалась, а это увеличивало скорость истечения жидкости из пены, а также изменяло условия гидратации полярных групп белка, что приводило к уменьшению устойчивости пены.
Известно, что сахар - песок оказывает стабилизирующее действие на кондитерские пены. Однако, с одной стороны, сахар - песок повышает поверхностное натяжение водных растворов и затрудняет их пенообразование. С другой стороны, с повышением концентрации сахара - песка увеличивается вязкость жидкости в пленках пены, что замедляет их разрушение и повышает стабильность пен [38].
Пены получали путём сбивания белково-водной суспензии при температуре 20 0С и продолжительности сбивания 1 мин., добавляя различное количество сахара - песка.
При увеличении количества сахара - песка в системе «вода – белок» до 150 % к массе белка увеличивалась пенообразующая способность и составляла 80 %, дальнейшее увеличение сахара песка в системе приводило к снижению данного показателя.
Стойкость пены при увеличении сахара - песка в системе до 100 % повышалась и составила 65 %, дальнейшее увеличение количество сахара - песка в системе приводило к снижению данного показателя.
Пенообразующая способность белковых растворов с увеличением продолжительности и интенсивности сбивания возрастает. Однако при достижении максимально возможной кратности идет обратный процесс – разрушение пены. Это можно объяснить разрушением образовавшихся воздушных пузырьков, увеличением дисперсности пены и снижением ее стойкости.
Пены получали путём сбивания белково-водной суспензии при температуре 20 0С, постепенно увеличивая продолжительность сбивания.
При увеличении продолжительности сбивания до 5 мин пенообразующая способность увеличивалась и составляла 74 %, дальнейшее увеличение приводило к стабилизации данного показателя.
Стойкость пены с увеличением времени сбивания до 6 мин понижалась и составила 46,3 %.
Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит от кислотности растворов. Например, пенообразующая способность неионогенных ПАВ не зависит от рН в интервале 3 - 9. Белковые растворы проявляют максимальную пенообразующую способность, как правило, в изоэлектрической точке.
Пены получали путём сбивания белково-водной суспензии при температуре 20 0С, постепенно добавляя различные концентрации раствора лимонной кислоты и, соответственно, изменяя активную кислотность, замеряли величину pH раствора, отмечая изменение пенообразующей способность и стойкости пены.
При увеличении рН до 3,8 пенообразующая способность пшеничного белка «Gemtek 2100» увеличивалась и составляла 114, 21 %, дальнейшее увеличение рН приводило к стабилизации данного показателя.
При рН 5,5 стойкость пены пшеничного белка «Gemtek 2100» понижалась и составила 37 %, дальнейшее увеличение рН до 3,8 способствовало увеличению данного показателя и составляло 57,24 %, при дальнейшем увеличении рН происходило снижение стойкости пены.
Вероятно, такое влияние можно объяснить тем, что при изменении рН происходит изменение заряда макроиона белка, который влияет на взаимодействия, определяющие равновесие тонкой пленки, и на конформационное состояние молекулы белка в растворе.
В программе «МАТКАД» имеются встроенные функции нелинейной регрессии, которые могут использоваться для функций двух-, трех аргументов. Поскольку рассматриваемые функции «пенообразующая способность» и «стойкость пены», являются функцией пяти переменных аргументов, от значения которых зависит качество зефирной массы, то для оценки коэффициентов искомой функции мы используем встроенную функцию minerr, применяемую в блоке решений GIVEN.
Подбор коэффициентов для уравнения поверхности функции «Пенообразующая способность» проводили следующим образом:
Говорит о том что вектор коэффициентов В будет подобран так, чтобы сумма квадратов разностей была как можно ближе к нулю.
Полученная зависимость пенообразующей способности (У1) пшеничного белка «Gemtek 2100» от вышеуказанных факторов имеет вид:
У1 = 11,576х1 0,762 + 3,731х 20,985 + 1,694х3 0,555 – 0,22х4 -2,968 + 1,355х5 0,256
– 2,734х1 – 3,421х2 – 0,15х3 – 14,809х4 + 1,51х5 + 7,581
где, х1 – количество белка, %; х2 – содержание сахара – песка, %; х3 - температура 0С; х4 – рН; х5 – продолжительность сбивания, мин.
Разработка уравнения поверхности функции «Стойкость пены» проводилась по той же методике, что и разработка уравнения функции пенообразования с помощью метода наименьших квадратов.
Полученная зависимость стойкости пены (У2) пшеничного белка «Gemtek 2100» от вышеуказанных факторов имеет вид:
У2 = 2,166х1 0,602 + 1,581х20,501 + 1,304х30,521 + 0,481х40,941 + 0,917х50,193
+ 0,018х1 + 359 ∙10-3х2 – 0,245х3 + 0,758х4 + 1,623х5 + 0,782
где, х1 – количество белка, %; х2 – содержание сахара – песка, %; х3 - температура 0С; х4 – рН; х5 – продолжительность сбивания, мин
Необходимо проверить, какова разница между экспериментальными значениями функции пенообразующая способность и стойкость пены и теоретическими, подсчитанными по созданной формуле. Вначале определим ошибки относительно опорных точек, поскольку через них теоретическая функция не проходит. Программа определения ошибок имеет вид:
Максимальное значение относительной ошибки составляет около 11,5 %, что допустимо.
Ошибки определения контрольных точек
Результаты исследований показали, что максимальная относительная ошибка составляет около 10 %.
Ошибки определения опорных точек:
Максимальное значение относительной ошибки составляет около 11,5 %,
что допустимо.
Результаты исследований показали, что максимальная относительная ошибка составляет около 11 %.
Полученные уравнения, показывают, что изменяя технологические параметры (х1, х2, х3, х4, х5), можно регулировать пенообразующую способность и стойкость пены. Это позволит прогнозировать свойства сбивных масс с применением пшеничного белка «Gemtek 2100».
Проведенные исследования, свидетельствуют о возможности использования пшеничного белка «Gemtek 2100» для частичной замены яичного белка в качестве пенообразователя при производстве зефира, причем процесс сбивания рецептурной смеси необходимо проводить при указанных выше технологических параметрах.
