ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МУКИ, БОГАТОЙ БЕЛКОМ И Β-ГЛЮКАНОМ, МЕТОДОМ ВОЗДУШНОГО ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ИЗ ОЧИЩЕННОГО ЯЧМЕННОГО ЗЕРНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ БЫСТРОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ

УДК 664.6/.7

Aннoтaция

В данном исследовании изучена классификация предпочтительных и редких сортов ячменя на основе скорости витания частиц при воздушной сепарации с целью получения белково-обогащённого сырья для производства макаронных изделий быстрого приготовления повышенной пищевой ценности. Основной целью работы являлось сокращение количества стадий повторного измельчения и просеивания, характерных для традиционных технологий переработки зерна, за счёт эффективного разделения фракций, содержащих крахмал, β-глюкан, пищевые волокна, белковые компоненты и зольные вещества, по дальности переноса в воздушном потоке с заданной скоростью. В качестве объекта исследования использовали местный сорт ячменя «Истак», отличающийся высоким содержанием белка и β-глюкана.

В ходе экспериментов зерно подвергалось поэтапному измельчению и воздушной классификации. Установлено, что после первого цикла фракционирования содержание белка в выделенной фракции увеличилось в 2,13 раза по сравнению с исходным сырьём. Повторные циклы воздушной сепарации обеспечили дальнейшее концентрирование белковых компонентов и позволили получить сухие белковые фракции с содержанием белка 47–52 %. При этом наблюдалось снижение содержания крахмала и оболочечных компонентов, что способствовало улучшению технологических свойств полученного сырья. Разработанная технология позволяет получать функциональную ячменную муку с высоким содержанием белка и β-глюкана для производства макаронных изделий быстрого приготовления с улучшенными структурно-механическими, пищевыми и потребительскими свойствами.

Abstract

This study investigated the classification of preferred and rare barley varieties based on the particle flotation velocity during air separation in order to obtain protein-enriched raw materials for the production of instant pasta products with enhanced nutritional value. The main objective of the research was to reduce the number of repeated grinding and sieving stages characteristic of traditional grain-processing technologies by efficiently separating fractions containing starch, β-glucan, dietary fiber, protein components, and ash according to the distance of their movement in an air stream with a specified velocity. The local barley variety “Istak,” characterized by a high content of protein and β-glucan, was selected as the research object.

During the experiments, the barley grain was subjected to stepwise grinding and air classification. The results showed that after the first fractionation cycle, the protein content in the separated fraction increased by 2.13 times compared to the initial raw material. Repeated air-separation cycles ensured further concentration of protein components and made it possible to obtain dry protein fractions containing 47–52% protein. At the same time, a decrease in starch and husk components was observed, which contributed to improving the technological properties of the obtained raw material. The developed technology makes it possible to produce functional barley flour enriched with protein and β-glucan for the manufacturing of instant pasta products with improved structural-mechanical, nutritional, and consumer properties.

Ключeвыe cлoвa: ячменное зерно; воздушное фракционирование; макаронные изделия быстрого приготовления; β-глюкан; белково-обогащённая мука; сухое фракционирование; сканирующая электронная микроскопия; распределение размеров частиц.

Keywords: barley grain, air fractionation, instant pasta, β-glucan, protein-rich flour, dry fractionation, scanning electron microscopy, particle size distribution.

Ввeдeниe

В пищевой промышленности одной из важных задач является обеспечение населения функциональными продуктами с высокой пищевой ценностью [1]. Среди зерновых культур ячмень имеет особое значение благодаря высокому содержанию β-глюкана, белка, минеральных веществ и пищевых волокон [2]. Производство функциональных продуктов на основе ячменя позволяет улучшить здоровье человека, поддерживать работу пищеварительной системы и расширить ассортимент продуктов с высокой пищевой ценностью [3]. Вместе с тем, технологические особенности зерна ячменя, в том числе высокое содержание кожуры и сложное разделение компонентов в процессе измельчения, создают определенные трудности при его переработке [4]. В последние годы растет интерес к технологиям сухой фракционирования, которые считаются энергоэффективными и экологически устойчивыми по сравнению с традиционными методами влажной фракционирования [5]. В частности, метод воздушной классификации позволяет эффективно разделять такие компоненты зерна, как белок, крахмал и β-глюкан, по размеру и плотности частиц [6]. Данная технология играет важную роль в получении высокобелковых и богатых β-глюкозой фракций муки [7].

В данном исследовании изучены процессы получения мучных фракций, богатых белком и β-глюканами, путем измельчения и воздушной фракционирования зерен ячменя местных сортов Истак и Ноёб. Также были проанализированы физико-химические показатели, распределение размеров частиц и технологические свойства полученных фракций, а также оценена возможность их использования в производстве макаронных изделий быстрого приготовления [8].

Мeтoды и мeтoды иccлeдoвaния

В качестве объекта исследования были выбраны зерна местных сортов ячменя Истак и Ноёб, внесенные в Государственный реестр Республики Узбекистан. Исследования проводились в научной лаборатории Пищевая технология Ташкентского химико-технологического института. При определении физико-химических, технологических и функциональных свойств зерна ячменя использовались действующие стандарты ГОСТ 28672-90 и современные методы анализа [9].

В процессе исследования определяли влажность, натуральный вес, массу 1000 штук, зольность, содержание белка, крахмала, жира, β-глюкана и пищевых волокон в зернах ячменя [10]. Количество белка оценивали методом Кельдаля, количество β-глюкана - ферментативным методом, а размер частиц-лазерным дифракционным анализом. Морфологическую структуру фракций и форму частиц изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

В процессе переработки ячменных зерен сначала производилось очищение от скорлупы, после чего зерно поэтапно измельчалось на специальном мельничном оборудовании. Полученный продукт разделялся на мелкие и крупные фракции в воздушном классификационном устройстве под воздействием различных скоростей воздуха [11]. Путем циклов повторного измельчения и воздушного фракционирования были получены мучные фракции, богатые белком и β-глюканами. Выход, структурные показатели и технологическая эффективность полученных фракций оценивались на основе статистического анализа [12].

Рeзультaты и oбcуждeния

В связи с тем, что размеры зерен ячменного крахмала отличаются по сравнению с его белковыми зернами, мелкие (и более легкие) белковые зерна перешли в мелкую фракцию, что согласуется с результатами исследования. Процесс сухой фракционирования (исходное содержание белка 15,6%) привел к статистически значимому (p < 0,05) обогащению белка первой фракции до 27,1%. Выход массы для крупной фракции составляет 15,6%. Аналогично, фракционирование с содержанием белка 18,0% дало статистически значимую (p < 0,05) высокую первую мелкую фракцию с массовым выходом 18,0% и уровнем белка 26,2%. Эти значения показали обогащение в 2,1 и 1,8 раза соответственно результатам проведенных исследований.

Таблица 1. Влияние повторного измельчения и различных классификаций воздуха на выход крупных и мелких фракций при получении муки из желаемого сорта ячменя (%)

Эффективность выделения белка, измеряющая процесс выделения белковых зерен из корма, составила 33,5% и 39,0% соответственно только для первого цикла фракционирования, что показано в табл.3.10. Белковые фракции нормальных и воскообразных сортов содержат 29,5 и 27,7% белка, с выходом 6,8 и 9,1% соответственно. Эффективность извлечения белка составила 18,5 и 15,0% соответственно, что ниже, чем в данном исследовании. При разделении эндосперма ячменя на сухие фракции наибольшая эффективность разделения белка с использованием добавки, улучшающей поток, составила 59,4%.

Однако соответствующая фракция имеет более низкое содержание белка (22,3%), чем в данном исследовании, в то время как фракция с сопоставимым содержанием белка (28,3%) имела более низкую эффективность извлечения белка - 21,7%. Эти результаты подтверждают обратную связь между чистотой белка и выходом фракций, обогащенных белком, что обычно отражается в низкой эффективности разделения белка на фракциях с относительно низкой чистотой белка при высоком выходе. Поэтому условия процесса фракционирования должны быть адаптированы для регулирования выхода и чистоты фракций в соответствии с требованиями использования продукта.

Эти различия между сортами Истак и Наёб можно объяснить различиями сортов, такими как содержание белка и твердость зерна, которые в конечном итоге влияют на свойства измельчения и косвенно на процесс фракционирования. Поскольку поврежденные гранулы крахмала меньше, чем неповрежденные, в последующих циклах (поврежденных) величина градиента размера между гранулами крахмала и белковыми тельцами будет ниже. Это привело к переходу мелких частиц крахмала в мелкую фракцию, что приводит к уменьшению количества белка в последующих мелких фракциях.

Таблица 2. Данные по классификации воздуха и последовательному переизмельчению грубых и мелких фракций (%) при получении муки из желаемого сорта ячменя

Крупные фракции (KФ1) смещаются вправо (0–100 мкм), при этом доля крупных частиц увеличивается. Соответствующие данные по размеру частиц (D10, D50 и D90) приведены в таблице 3 ниже.

Таблица 3. Распределение размеров частиц исходного сырья, крупнодисперсных и мелкодисперсных фракций при повторении последовательности измельчения и воздушного фракционирования

Согласно данным таблицы 3, при получении белково и крахмалсодержащей муки из очищенного ячменного зерна процесс воздушной классификации способствовал уменьшению размера частиц первой мелкой фракции (МФ1).

50% частиц муки, полученной из очищенного ячменного зерна, с размерами 10%, 50% и 90% были отнесены к фракции МФ1 с размером менее 27,0 мкм, тогда как 90% частиц были отнесены к крупной фракции (КФ1) с размером более 261,1 мкм.

В последующих циклах измельчения и воздушной классификации значение для 90% частиц крупной фракции КФ5 составило 185,0 мкм, что ниже по сравнению с КФ1. Такое уменьшение размера частиц крупной фракции подтверждает, что с увеличением интенсивности измельчения размер частиц снижался даже при одинаковом размере сита.

Зaключeниe

По результатам исследования установлено, что при измельчении и фракционировании в цепи воздушной классификации очищенного зерна ячменя образуются тонкая фракция, богатая белком, и крупная фракция, богатая β-глюкановыми пищевыми волокнами. Первоначально полученная мука (D90 = 234,1 мкм) в МФ1 измельчалась до D90 = 27,0 мкм, а в КФ1 - до D90 = 261,1 мкм; в последующих циклах крупная фракция дополнительно измельчалась до КФ5 (D90 = 185,0 мкм). Содержание белка в мелкой фракции увеличилось до 26,2-27,1% (в 1,8-2,1 раза); выход МФ1 составил 15,6 -18,0%. В результате повторных циклов эффективность извлечения белка достигла 47-52%. Наблюдались структурные изменения: в мелкой фракции содержание жира и золы несколько выше, а крахмала - относительно ниже; в крупной фракции содержание общего водорастворимого пищевого волокна и β-глюкана выше (прирост составил 16 -38% по сравнению с исходным очищенным ячменем с содержанием 6,2%).

Микроскопические изображения подтвердили смещение белковых частиц в сторону тонкой фракции. По результатам исследования разработан способ получения муки из слоистого сырья (макаронные изделия быстрого приготовления) на основе воздушной классификации очищенного ячменя без применения ГТИ, обеспечивающий повышение содержания белка в мелкой фракции и β-глюкана - в крупной фракции. Путём количественной оценки взаимосвязи между интенсивностью измельчения, распределением размеров частиц и степенью чистоты с использованием показателей D10/D50/D90 и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) обеспечен баланс «чистота–выход» и рекомендован эффективный режим работы в пределах 2–3 циклов..

Список литературы:

1. Food Processing Shalaby M.T., Abo-Rya M.A., Motawei A.M. Effect of Baking Process on β-Glucan Content in Whole Barley Balady Bread. // Journal of Food and Dairy Sciences. – 2014. – Vol. 5(7). – P. 481–490.
2. Charalampopoulos D., Wang R., Pandiella S.S., Webb C. Application of Cereals and Cereal Components in Functional Foods: A Review. // International Journal of Food Microbiology. – 2002. – Vol. 79(1–2). – P. 131–141.
3. Sissons M. (2008). Role of durum wheat in pasta production and quality. Food Reviews International, 24(2), 115–145.
4. Day L. (2013). Proteins from cereal grains and their technological functionality. Trends in Food Science & Technology, 32(1), 20–30.
5. Foschia M., Peressini D., Sensidoni A. (2010). Functional pasta production with alternative ingredients. Food Research International, 43(3), 774–783.
6. Petitot M., Abecassis J., Micard V. (2010). Structuring of pasta components during processing. Trends in Food Science & Technology, 21(11), 521–532.
7. ICC Standard Methods (2018). International Association for Cereal Science and Technology. Vienna.
8. Barley: Impact of Processing on Physico-chemical and Thermal Properties – A Review. // ResearchGate Review Article. – 2015.
9. Barley. Specifications. ГОСТ 28672-2019. // Moscow: Standartinform. – 2019. – 8 p.
10. AOAC Official Methods of Analysis (2016). Association of Official Analytical Chemists. Washington DC.
11. Andersson A.A.M., Andersson R., Piironen V., Lampi A.M., Nyström L., Boros D., Fras A., Gebruers K., Courtin C.M., Delcour J.A. Contents of Dietary Fiber Components and Their Relation to Associated Bioactive Components in Whole Grain Wheat Samples from the HEALTHGRAIN Diversity Screen. // Food Chemistry. – 2013. – Vol. 136(3–4). – P. 1243–1248.
12. Wang N., Daun J.K. (2006). Effects of processing on barley composition and functionality. Journal of Cereal Science, 44(2), 165–174.