Т 56 (8)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2013
УДК 664.657:577.15
Н.В. Степычева, П.Н. Кучеренко
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМИЛОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
ДЛЯ ЗАМЕДЛЕНИЯ РЕТРОГРАДАЦИИ КРАХМАЛА
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: laki@isuct.ru
Представлен обзор литературных источников, посвященных проблеме замедления
ретроградации крахмала. Процесс ретроградации рассмотрен на примере черствения
хлеба. Описаны наиболее значимые механизмы черствения; названы основные способы
сохранения свежести изделий. В статье рассмотрены также различные аспекты
применения ферментных препаратов с амилолитической активностью для замедления
ретроградации крахмала и сохранения свежести хлеба.
Ключевые слова: ретроградация, свежесть, черствение, ферментный препарат, амилаза
Ретроградация крахмала, а также способы
ее замедления стали предметом ряда исследований,
в которых она изучалась на примере крахмальных
клейстеров и паст [1, 2]. Общеизвестным
является факт, что этот процесс лежит в основе
черствения хлеба. Установлено, что изменения,
протекающие в коллоидных системах, содержащих
крахмал, и в хлебе при его хранении, практически
идентичны [3, 4]. Однако с точки зрения практики
наиболее интересны работы, посвященные замедлению
ретроградации крахмала с целью сохранения
свежести хлеба. В данной статье рассмотрены
механизмы процесса черствения хлеба, а также
различные аспекты применения ферментных препаратов
с амилолитической активностью для его
замедления.
Проблема сохранения свежести хлеба изучается
уже более 150 лет и по-прежнему не потеряла
своей актуальности [5]. Статистическими
исследованиями установлено, что в странах с высоким
уровнем потребления хлеба потери, вызванные
непродолжительными сроками сохранения
свежести изделий, достигают 10-15% объема
произведенной продукции [6]. Быстрое усыхание
и черствение изделий является наиболее распространенной
причиной ухудшения их товарных
свойств. При этом хлеб теряет мягкость, повышается
крошковатость мякиша, снижается его эла
Обзорная статья
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013 том 56 вып. 8
3
стичность, теряется вкус и аромат, присущие свежему
изделию; корка теряет блеск и хрупкость;
слои мякиша, находящиеся под коркой, становятся
сухими и жесткими [7]. Причиной подобных
изменений служит целый ряд сложных процессов,
протекающих с различной скоростью и касающихся
основных компонентов хлебного мякиша
[8].
Несмотря на то, что механизм черствения
кажется всесторонне изученным, единая теория, в
полной мере раскрывающая сущность этого процесса,
до сих пор не сформирована. На сегодняшний
день основными факторами, определяющими
изменения текстуры мякиша при хранении, считаются
ретроградация крахмала и перераспределение
влаги между крахмалом и клейковиной [911],
а также между частями изделия (перемещение
влаги от центра мякиша к корке) [12-14]. Кроме
того, изучены изменения в белковой части мякиша,
отмечена роль липидов и водорастворимых пентозанов
[15-18] (табл. 1). Существуют версии, учитывающие
не только изменения биополимеров мякиша,
но и взаимодействия между ними [19, 20].
Во время хранения наблюдается образование
водородных связей между гидроксильными
группами (–ОН) цепочек амилозы и аминогруппами
(–NH2) белковых молекул, а также непосредственно
между цепочками амилозы [5, 21].
Стр.1
Таблица 1
Вещество
Предположения о роли структурных компонентов хлеба в процессе черствения [20]
Table 1. Assumptions on a role of bread structural components in the process of hardening [20]
Роль в черствении
Постепенный переход крахмала из аморфного состояния в кристаллическое играет важную
роль в процессе черствения
1. Крахмал
Степень кристаллизации крахмала и жесткость мякиша не имеют прямой зависимости,
таким образом, можно предположить, что кристаллизация крахмала – не единственная
причина черствения
1.1. Амилопектин
Амилопектин оказывает сильное влияние на процесс черствения, т.к. нагревание хлеба
до 50 °С (температура плавления амилопектина) может вернуть изделию свежесть
Ретроградация амилопектина является важной составляющей процесса черствения, однако
не только она обусловливает изменения в текстуре
Амилоза участвует в процессе черствения лишь в первые сутки хранения хлеба, поэтому
ее роль может только дополнять роль амилопектина
1.2. Амилоза
2. Белок
(глютен)
3. Пентозаны
4. Липиды
Реорганизация внутригранулярной амилозы увеличивает жесткость крахмальных
зерен при хранении
Определенную роль играет агрегирование амилозы и амилопектина
Взаимодействия крахмала и глютена между собой играют немаловажную роль в процессе
черствения
Изменение подвижности полимерных цепей обусловлено изменениями в состоянии белка
и/или перераспределением влаги внутри мякиша
Водорастворимые и нерастворимые пентозаны увеличивают сжимаемость мякиша,
но не влияют на скорость черствения
Хлеб, богатый арабиноксиланами, отличается большей скоростью ретроградации крахмала
из-за высокой влажности, несмотря на то, что изначально он мягче, чем контрольный образец
Липиды муки и жировые продукты в рецептуре изделий способны замедлять черствение
Большинством исследователей главная
роль в черствении хлеба отводится ретроградации
крахмала как основного компонента хлеба, составляющего
до 70% сухих веществ готовых изделий
[10, 22, 23]. При выпечке крахмальные зерна
набухают и частично клейстеризуются с поглощением
воды, выделяемой коагулирующими
белками. При этом крахмал переходит из кристаллического
состояния в аморфное [24, 25]. Во время
хранения происходит обратный переход его в
кристаллическое состояние, который называется
ретроградацией. Понятие о ретроградации было
впервые введено Л. Линде, эта идея была развита
и экспериментально подтверждена рядом исследователей
(И. Катц, Р. Керр, С. Ким, Б. Д’Апполониа
и др.) [26]. Т. Шоч и Д. Френч предложили
модель, описывающую обратимое при нагревании
агрегирование амилопектина в качестве основной
причины черствения хлеба [27]. При этом изменениям
в амилозной фракции придается гораздо
меньшее значение. Предполагается, что ретроградация
амилозы происходит только в первые сутки
хранения, а дальнейшее увеличение жесткости
происходит при участии амилопектина [14, 28, 29].
Таким образом, принимая во внимание большое
значение углеводно-амилазного комплекса при
черствении, именно воздействие на крахмал можно
считать наиболее перспективным методом сохранения
свежести хлеба.
4
Замедлить процесс черствения можно введением
некоторых видов дополнительного сырья
[30, 31], усовершенствованием способов приготовления
теста [32, 33], подбором оптимального
режима выпечки [34, 35], выбором рационального
режима хранения готовых изделий [36, 37]. Однако
проведение подобных мероприятий не всегда
осуществимо и целесообразно [38].
Более эффективной мерой по замедлению
черствения хлеба является применение хлебопекарных
улучшителей [22, 39]. В частности, можно
замедлить ретроградацию крахмала внесением в
тесто веществ, повышающих гидрофильные свойства
мякиша – модифицированных крахмалов,
декстринов, камедей и т.п. [40-44]. Поверхностноактивные
вещества способствуют улучшению физико-механических
свойств мякиша хлеба, образуя
комплексы с амилозой [45-47].
Существенного увеличения сроков сохранения
свежести хлеба можно добиться использованием
ферментных препаратов. Главным действующим
компонентом таких добавок являются
ферменты – биохимические катализаторы белковой
природы, способные ускорять химические
реакции [22]. Для хлебопекарной промышленности
наибольшее значение имеют следующие классы
ферментов: гидролазы, оксидо-редуктазы и
трансферазы [48].
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013 том 56 вып. 8
Стр.2
Добавление ферментных препаратов позволяет
направленно воздействовать на основные
структурные компоненты муки и теста (крахмал,
белки, пентозаны, липиды), регулируя, таким образом,
свойства теста и ход технологического
процесса. Главными задачами, решаемыми с помощью
ферментов, являются: сокращение производственного
цикла за счет интенсификации процессов
тестоприготовления, стабилизация свойств
сырья, получение хлеба стабильно высокого качества,
способного дольше сохранять свою свежесть
[49, 50].
Исследованию воздействия различных видов
ферментов на скорость черствения хлеба посвящено
множество работ, как в России, так и за
рубежом. Изучены возможности продления свежести
изделий при использовании препаратов с
амилазной, протеиназной, ксиланазной активностью,
а также некоторых других. Наиболее эффективными
в этом отношении большинством исследователей
признаны амилолитические ферментные
препараты [10, 51].
Амилолитические ферменты относятся к
классу гидролаз и катализируют реакции гидролиза
крахмала – растительного полисахарида сложного
строения, состоящего из 13-30% амилозы и
70-85% амилопектина [25, 52, 53]. В зависимости
от типа разрываемой связи и ее расположения в
молекуле субстрата ферменты данного семейства
делятся на несколько видов: α- и β-амилазы, глюкоамилаза
(или амилоглюкозидаза), пуллуланаза,
изоамилаза и некоторые другие [48, 54]. Механизм
воздействия амилолитических ферментов на
крахмал представлен на рис. 1.
– нередуцирующий мономер,
– редуцирующий концевой мономер,
─ – α-1,4-глигозидная связь, │ – α-1,6-гликозидная связь
Рис. 1. Схема гидролиза крахмала амилолитическими ферментами разных видов: 1 – α-амилаза, 2 – мальтогенная амилаза,
3 – β-амилаза, 4 – глюкоамилаза, 5 – пуллуланаза [50].
Fig. 1. Scheme of starch hydrolysis by various starch degrading enzymes:
– non-reducing monomer,
– reducing terminal
monomer, ─ – α-1,4- glycosidic bond, │ – α-1,6- glucosidic bond; 1 – α-amylase, 2 – maltogenic amylase, 3 – β- amylase,
4 – amyloglucosidase, 5 – pullulanase [50]
Препараты с амилолитической активностью
широко используются в хлебопечении для
корректировки хлебопекарных свойств муки [24].
Ферментативное воздействие на крахмал способствует
увеличению количества сахаров в тесте,
что приводит к интенсификации процесса брожения,
усилению газообразования на этапе окончательной
расстойки и на ранних стадиях выпечки.
В свою очередь, это приводит к увеличению объема
изделий, улучшению пористости и текстуры
мякиша [55, 56]. Наиболее часто для повышения
качества хлеба и продления срока его хранения
применяют препараты α-амилазы.
α-Амилаза (КФ 3.2.1.1) – фермент, вызывающий
неупорядоченное гидролитическое расщепление
α-1,4-гликозидных связей крахмала с
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013 том 56 вып. 8
5
Стр.3