ZAŁĄCZNIK 2A Katedra Technologii Węglowodanów Wydział Technologii Żywności Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie AUTOREFERAT INFORMUJĄCY O OSIĄGNIĘCIACH NAUKOWYCH, OSIĄGNIĘCIACH W ZAKRESIE OPIEKI NAUKOWEJ I KSZTAŁCENIA MŁODEJ KADRY, DZIAŁALNOŚCI DYDAKTYCZNEJ, ORGANIZACYJNEJ ORAZ POPULARYZUJĄCEJ NAUKĘ Kraków, 2019
Spis treści 1. DANE PERSONALNE 3 2. POSIADANE DYPLOMY I STOPNIE NAUKOWE Z PODANIEM ICH 3 NAZWY, MIEJSCA I ROKU ICH OTRZYMANIA ORAZ TYTUŁU ROZPRAWY DOKTORSKIEJ 3. INFORMACJE O DOTYCHCZASOWYM ZATRUDNIENIU W JEDNOSTKACH NAUKOWYCH 4. WSKAZANIE OSIĄGNIĘCIA* WYNIKAJĄCEGO Z ART. 16 UST. 2 USTAWY Z DNIA 14 MARCA 2003 R. O STOPNIACH NAUKOWYCH I TYTULE NAUKOWYM ORAZ O STOPNIACH I TYTULE W ZAKRESIE SZTUKI (DZ. U. 2016 R. POZ. 882 ZE ZM. W DZ. U. Z 2016 R. POZ. 1311.): 5. SYNTETYCZNE OMÓWIENIE PUBLIKACJI WCHODZĄCYCH W 5 SKŁAD OSIĄGNIĘCIA 5.1. Wprowadzenie 5 5.2. Założone cele badawcze 7 5.3. Materiał i metody 8 5.3.1. Materiał 8 5.3.2. Metody 9 5.3.3 Analiza statystyczna 11 5.4. Omówienie i dyskusja wyników badań 11 5.5. Podsumowanie 26 5.6. Literatura 28 6. OMÓWIENIE POZOSTAŁYCH OSIĄGNIĘĆ NAUKOWO 32 BADAWCZYCH 7. PODSUMOWANIE DOROBKU NAUKOWEGO 35 3 3 2 z 36
1. DANE PERSONALNE: Imię i nazwisko: Wiktor Berski Miejsce pracy: Katedra Technologii Węglowodanów, Wydział Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, ul. Balicka 122, 30-149 Kraków 2. POSIADANE DYPLOMY I STOPNIE NAUKOWE Z PODANIEM ICH NAZWY, MIEJSCA I ROKU ICH OTRZYMANIA ORAZ TYTUŁU ROZPRAWY DOKTORSKIEJ 2004, Dyplom doktora nauk rolniczych w zakresie technologii żywności i żywienia człowieka, Wydział Technologii Żywności, Akademia Rolnicza w Krakowie, praca doktorska pt Modyfikacje skrobi owsianej wykonana pod kierunkiem Prof. dr hab. Bohdana Achremowicza 1997, Master of Science in Food Science and Technology, Faculty of Agriculture and Applied Biological Sciences, Ghent University, master dissertation Compositional alteration of vegetable oils during physical refining wykonana pod kierunkiem Prof. Andre Huyghebaert a 1995, magister inżynier technologii żywności, Oddział Technologii Żywności przy Wydziale Rolniczym, Akademia Rolnicza w Krakowie, praca magisterska pt Termiczne modyfikacje skrobi amidami i estrami kwasów karboksylowych w polu mikrofalowym wykonana pod kierunkiem Prof. dr hab. inż. Marka Sikory 3. INFORMACJE O DOTYCHCZASOWYM ZATRUDNIENIU W JEDNOSTKACH NAUKOWYCH 1.01.2006 obecnie: ADIUNKT, Katedra Technologii Węglowodanów, Wydział Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie 15.04.1997-31.12.2005: Stanowisko: ASYSTENT, Miejsce zatrudnienia: Katedra Technologii Węglowodanów, Wydział Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie 4. WSKAZANIE OSIĄGNIĘCIA* WYNIKAJĄCEGO Z ART. 16 UST. 2 USTAWY Z DNIA 14 MARCA 2003 R. O STOPNIACH NAUKOWYCH I TYTULE NAUKOWYM ORAZ O STOPNIACH I TYTULE W ZAKRESIE SZTUKI (DZ. U. 2016 R. POZ. 882 ZE ZM. W DZ. U. Z 2016 R. POZ. 1311.): Osiągnięciem naukowym, będącym podstawą złożonego przeze mnie wniosku o wszczęcie postępowania habilitacyjnego jest jednotematyczny cykl publikacji pod zbiorczym tytułem: 3 z 36
Kleikowanie i retrogradacja skrobi i mąk różnego pochodzenia botanicznego w wodzie i roztworach sacharydów" Publikacje wchodzące w skład osiągnięcia 1 1. Berski, W., Krystyjan, M., Buksa, K., Zięć, G., Gambuś, H., 2014. Chemical, physical and rheological properties of oat flour affected by the isolation of beta-glucan preparation. Journal of Cereal Science 60, 533 539 MNiSW =35; IF = 2,094; IF5-letni = 2,728 Mój udział w powstanie tej pracy wynosi 75% 2. Berski, W., Gambuś, H., 2014. Reologiczna charakterystyka układów trójskładnikowych: resztkowa mąka owsiana - sacharoza - woda. Acta Agrophysica 21, 5 16. MNiSW = 7 Mój udział w powstanie tej pracy wynosi 90% 3. Berski, W., Krystyjan, M., Zięć, G., Litwinek, D., Gambuś, H., 2016. The influence of starch hydrolyzate on physicochemical properties of pastes and gels prepared from oat flour and starch. Journal of Cereal Science 70, 16 22. MNiSW = 35; IF = 2,223; IF5-letni = 2,665 Mój udział w powstanie tej pracy wynosi 80% 4. Berski, W., Ziobro, R., 2018. Pasting and gel characteristics of normal and waxy maize starch in glucose syrup solutions. Journal of Cereal Science 79, 253 258. MNiSW = 35; IF = 2,223; IF5-letni = 2,665 Mój udział w powstanie tej pracy wynosi 90% 5. Berski, W., Ziobro, R., Witczak, M., Gambuś, H., 2018. The retrogradation kinetics of starches of different botanical origin in the presence of glucose syrup. International Journal of Biological Macromolecules 114, 1288 1294. MNiSW = 35; IF = 3,671; IF5-letni =3,657 Mój udział w powstanie tej pracy wynosi 90% Całkowity IF z roku opublikowania prac, wchodzących w skład osiągnięcia naukowego: 10,211 Całkowity 5-letni IF publikacji wchodzących w skład osiągnięcia naukowego: 11,715 1 W przypadku publikacji, dla których nie określono IF oraz punktów MNISW za rok opublikowania, wykorzystano punktację za rok poprzedni 4 z 36
Liczba punktów MNiSW za cykl publikacji (z roku opublikowania): 147pkt. Szczegółowy wkład habilitanta w powstanie wyżej wymienionych prac został opisany w Załączniku 4. Oświadczenia współautorów prac określające szczegółowo indywidualny wkład każdego z nich w powstanie publikacji zamieszczono w Załączniku 4. 5. SYNTETYCZNE OMÓWIENIE PUBLIKACJI WCHODZĄCYCH W SKŁAD OSIĄGNIĘCIA Tytuł osiągnięcia naukowego: Kleikowanie i retrogradacja skrobi i mąk różnego pochodzenia botanicznego w wodzie i roztworach sacharydów" W omówieniu publikacji wchodzących w skład Osiągnięcia wykorzystano następujące skróty: RMO resztkowa mąka owsiana, MO mąka owsiana, MP mąka pszenna, RSO resztkowa skrobia owsiana, SO skrobia owsiana, SP skrobia pszenna, SKW skrobia kukurydziana woskowa, SK skrobia kukurydziana, SG syrop glukozowy, PT temperatura kleikowania (Pasting temperature), PV lepkość maksymalna (Peak viscosity), tpv czas potrzebny do osiągnięcia lepkości maksymalnej, BD spadek lepkości (Breakdown), SB wzrost lepkości (Setback), HPSI wskaźnik stabilności kleików w wysokiej temperaturze (Hot paste stability index), tpv - czas potrzebny do osiągnięcia lepkości maksymalnej (Peak viscosity time), H entalpia kleikowania 5.1. Wprowadzenie Skrobia jest naturalnym biopolimerem pełniącym w przyrodzie funkcję materiału zapasowego roślin. Jej powszechne występowanie sprzyja stosowaniu w olbrzymich ilościach w gospodarce, w tym technologii żywności, gdzie głównie wykorzystuje się jej zdolność do kleikowania. W podwyższonej temperaturze (powyżej 40 C) dochodzi do hydratacji ziarenek skrobiowych, zwłaszcza ich amorficznych regionów. Wiązania wodorowe wzmacniające helisy skrobiowe zostają rozerwane, a do uwolnionych grup hydroksylowych przyłączają sie cząsteczki wody. Jednocześnie z wnętrza ziarenek zostaje uwolniona materia skrobiowa, głównie amyloza. Prowadzi to do znacznego zwiększenia objętości ziarenek skrobiowych, co w konsekwencji jest obserwowane, jako wzrost lepkości powstającego kleiku. Właściwość ta jest silnie uzależniona od pochodzenia botanicznego skrobi, czy też środowiska, w jakim dochodzi do przemiany fazowej (Eliasson, 2006; BeMiller i Whistler, 2009; Schirmer i in., 5 z 36
2015). Innym zjawiskiem, które warunkuje możliwości wykorzystanie skrobi jest jej retrogradacja. Jest fizycznym procesem, w wyniku którego dochodzi do odtworzenia struktury krystalicznej skrobi, w pierwszym rzędzie amylozy, a później amylopektyny. Z reguły prowadzi do pogorszenia jakości produktów zawierających skrobię. Na przebieg procesu retrogradacji składają się następujące etapy: powstawanie zarodków (nukleacja), rozwój (propagacja) i dojrzewanie (maturacja) (Karim i in., 2000; Wang i in., 2015). Również i ten proces jest mocno uzależniony od różnych czynników, takich jak: pochodzenie botaniczne skrobi, stężenie, temperatura przechowywania czy też obecność innych składników jak cukry i sole (Fu i in., 2014; Wang i in., 2015; Matignon i Tecante, 2017). W przypadku kleikowania tak skomplikowanego układu jakim jest mąka, na charakterystykę kleikowania skrobi wpływ wywierają składniki obecne w mące i trudno jest jednoznacznie ocenić rolę każdego z nich w tym procesie (Berski i Gambuś, 2013). Aby móc określić wpływ białek i ß-glukanów na zdolność kleikowania mąki owsianej, Zhou i in. (2000) zastosowali enzymy hydrolizujące te składniki. Wyniki tych, jak i własnych badań, wskazują na znaczny wpływ ß-glukanów na maksymalną lepkość wodnych kleików. β-glukany obecne w mące odpowiadają za wzrost lepkości kleiku poprzez sieciowanie z łańcuchami amylozy i amylopektyny, uwolnionymi z ziarenek skrobiowych podczas procesu kleikowania. Ponadto ich obecność wpływa na stabilizację zmian lepkości kleików (Berski i Gambuś, 2013). Z kolei wpływ białek na proces kleikowania mąki w wodzie był zdecydowanie mniejszy, podobnie jak to zaobserwowano w badaniach Zhou i in. (2000). Nie należy też zapominać o obecności lipidów, których ilość w mące owsianej jest kilkukrotnie większa niż w mąkach chlebowych. Zarówno ich ilość, jak i skład, wywierają wpływ na zdolności takiego układu do kleikowania, nie był on jednak aż tak istotny jak wpływ pozostałych składników mąki (Zhou i in., 2000; Berski i Gambuś, 2013). Pojawienie się w układzie środków słodzących jakimi są sacharoza, czy syrop glukozowy czy inne cukry dodatkowo komplikuje i tak już złożony obraz wpływu poszczególnych substancji na przebieg procesu kleikowania skrobi (Ai i Jane, 2015). Wzrost lepkości obserwowany po wprowadzeniu sacharozy może być przypisany zwiększonej sztywności napęczniałych ziarenek skrobiowych oraz mniejszej dostępności wody obecnej w układzie, niezbędnej do kleikowania skrobi, stanowiącej główny składnik mąki. Dodatkowo należy pamiętać, że we współzawodnictwie o wodę obecną w układzie biorą również udział inne obecne w nim hydrokoloidy, jak chociażby β-glukany, pentozany i białka zawarte w mące (Zhou i in., 2000). Obecność cukrów ogranicza pęcznienie ziarenek skrobi, a amyloza, 6 z 36
która się z nich wydostała, tworzy wiązania sieciujące z cząsteczkami innych związków zawartych w mące (Spies i Hoseney, 1982). W ostatnich latach obserwuje się w Polsce wzrost zainteresowania ziarnem owsa i jego przetworami, co wynika z popularyzowania wiedzy o walorach prozdrowotnych tego zboża, jak i wzrostem zainteresowania żywnością prozdrowotną. W porównaniu do innych zbóż, przetwory owsiane, w tym mąka charakteryzują się większą zawartością błonnika, w tym nieskrobiowych polisacharydów, tj. β-glukanów i pentozanów a także większą zawartością tłuszczu i popiołu w porównaniu do mąk innych zbóż chlebowych. Zawarte w nich białko jest uznawane za najbardziej wartościowe spośród białek zbożowych, na co ma wpływ około 80 procentowa zawartość globulin, przy stosunkowo niewielkiej zawartości prolamin. Tłuszcz owsiany charakteryzuje się dobrym stosunkiem nienasyconych do nasyconych kwasów tłuszczowych (Berski i Gibinski, 2001; Berski i Gambuś, 2013). Ponadto ziarno owsa i jego przetwory, w tym mąka, są dobrym źródłem składników mineralnych, witamin z grupy B i tokochromanoli oraz innych przeciwutleniaczy (Kawka, 2010; Lange, 2010). Wśród składników zawartych w mące owsianej to właśnie β-glukany wzbudzają największe zainteresowanie z uwagi na przypisywane im prozdrowotne właściwości (Daou i Zhang, 2012; Hu i in., 2015; Zhu i in., 2016). Ze względu na swe właściwości mąka owsiana znalazła zastosowanie w firmie Microstructure jako surowiec do otrzymania preparatu błonnikowego BETAVEN zawierającego β-glukany (Berski i Gambuś, 2013). Produkowany jest on na drodze mikronizacji płatków owsianych, a następnie separacji w strumieniu powietrza frakcji zasobnej w β-glukany. Zawiera ona znaczne ilości błonnika pokarmowego (60%), w tym 30% β-glukanów. Podczas izolacji tego składnika z mąki owsianej, jako produkt uboczny, powstają duże ilości mąki owsianej częściowo pozbawionej tego składnika, czyli tzw. resztkowej mąki owsianej (RMO) (Berski i Gambuś, 2013). Podobnie jak mąka owsiana zawiera ona różnorodne związki o dobroczynnym wpływie na organizm ludzki (białko, antyoksydanty, błonnik pokarmowy, sole mineralne), w tym nadal proporcjonalnie duże ilości β-glukanów, w odniesieniu do mąk z innych zbóż. Z tego powodu resztkowa mąka owsiana (RMO) stała się obiektem szerszych badań. Podjęto próby wykorzystania tej mąki do produkcji pieczywa, wyrobów przekąskowych lub deserów (Berski i in., 2012, 2014; Berski i Gambuś, 2013; Zięć i in., 2013; Gibiński i in., 2014). 5.2. Założone cele badawcze Podczas produkcji preparatu BETAVEN otrzymuje się niewielką ilość właściwego, wysokobłonnikowego produktu (około 20% masy surowca), natomiast w znacznych ilościach 7 z 36
(około 80% masy surowca) powstaje jako produkt uboczny tzw. resztkowa mąka owsiana (RMO). W związku ze wzrastającym popytem na BETAVEN, w zakładzie produkcyjnym powstają duże ilości RMO, która jak juz wspomniano, nadaje się do różnych zastosowań w przemyśle spożywczym. Do tej pory nie wykazano jednak, czy mąka ta (RMO) jak również skrobia z niej wyizolowana (RSO) mogą znaleźć zastosowanie jako zagęstniki. W związku z tym, że w przemyśle spożywczym bardzo często stosuje się różnego rodzaje środki słodzące, jako cel badawczy postanowiono określić wpływ środków słodzących na właściwości reologiczne zawiesin i żeli RMO i RSO, oraz wpływ tych środków na przebieg retrogradacji skrobi. Postawiono następujące pytania: czy proces produkcji preparatu błonnikowego BETAVEN wywiera wpływ na właściwości powstałej resztkowej mąki owsianej (RMO) a także wyizolowanej z niej skrobi (RSO)?, jak kształtują się właściwości reologiczne RMO w obecności środka słodzącego jakim jest sacharoza?, w jakim stopniu obecność syropu glukozowego wpływa na właściwości reologiczne układów mąka/skrobia (RMO/skrobia: pszenna, owsiana resztkowa, kukurydziana, kukurydziana woskowa) syrop glukozowy woda?, jaki jest wpływ sacharydów zawartych w syropie glukozowym na przebieg retrogradacji skrobi różnego pochodzenia botanicznego (owsiana resztkowa, owsiana, pszenna)?. 5.3. Materiał i metody 5.3.1 Materiał Materiałem badawczym była resztkowa mąka owsiana (RMO) powstała jako produkt uboczny podczas izolacji preparatu błonnikowego o nazwie BETAVEN (Microstructure, Warszawa) (Publikacja 1, 2 i 3), a także jako materiał porównawczy mąka owsiana (MO) (Bogutyń Młyn, Radzyń Podlaski) oraz mąka pszenna typu 650 (MP) (PZZ, Kraków) (Publikacja 1 i 3). Do badań wykorzystano także skrobie wyizolowane metodą laboratoryjną ze wspomnianych wcześniej mąk: owsianej (RSO i SO) (Paton, 1977) oraz pszennej (SP) (Czuchajowska i Pomeranz, 1993) (Publikacja 1, 3 i 5). Ponadto do badań wykorzystano wyprodukowane przemysłowo skrobie kukurydziane: zwykłą (SK) oraz woskową (SKW) (National Starch Polska) (Publikacja 4 i 5). 8 z 36
Materiałem badawczym była także sacharoza (Pfeifer & Langen, Polska) (Publikacja 2) oraz syrop glukozowy G36 (Cargill Polska) (Publikacje 3, 4, i 5). Syrop glukozowy wykorzystano do przygotowania wodnych roztworów o różnym stężeniu (w/w 10, 20, 30, 40 i 50%) (Publikacje 3, 4 i 5). 5.3.2 Metody Właściwości mąk i kleików mącznych 5.3.2.1. Ziarnistość mąk oznaczono posługując się urządzeniem Mastersizer 2000 wyposażonym w przystawkę Hydro 2000MU wet dispersion unit (Malvern Instruments Ltd., Malvern, UK) (Publikacja 1). 5.3.2.2. Skład chemiczny mąk oznaczono metodami AOAC (2006) zgodnie z podaną poniżej numeracją: zawartość popiołu (930.05), białka ogółem (N 5,7 dla mąki pszennej, N 6,25 dla mąk owsianych) (950.36), lipidów (930.05), włókna pokarmowego (991.43) rozpuszczalnego (SDF) i nierozpuszczalnego (IDF) oraz β-glukanów (Publikacja 1). 5.3.2.3. Charakterystykę kleikowania 5 i 10% zawiesin mąk w wodzie i wodnych roztworach syropu glukozowego o stężeniach: 0, 10, 20, 30, 40 i 50% wyznaczono wiskozymetrem Micro Visco Amylo-Graph (Brabender, Duisburg, Germany). Próbki ogrzewano od temperatury początkowej (45 C) do temperatury maksymalnej (95 C), w której przetrzymywano je przez 10 minut, a następnie schładzano do temperatury 25 C, i w tej temperaturze przetrzymywano je przez kolejne 10 minut. Szybkość wzrostu i spadku temperatury wynosiła 4,5 C/min., a pojemnik pomiarowy obracał sie z szybkością 150 obr./min (Publikacje 1, 3 i 4). 5.3.2.4. Charakterystykę kleikowania 5, 7,i 10% zawiesin RMO w wodzie oraz RMO z dodatkiem sacharozy (w/w 0, 4, 5, 6, 7 i 10%) wyznaczono wiskozymetrem Micro Visco Amylo-Graph (Brabender, Duisburg, Germany). Próbki ogrzewano od temperatury początkowej (50 C) do temperatury maksymalnej (96 C), w której to przetrzymywano je przez 10 minut, a następnie schładzano do temperatury 25 C, i w tej temperaturze pozostawiono na 15 minut. Szybkość wzrostu i spadku temperatury wynosiła 4,5 C/min., a pojemnik pomiarowy obracał sie z szybkością 150 obr./min (Publikacja 2). 5.3.2.5. Wyznaczanie krzywych płynięcia 10 procentowych kleików mącznych w reometrze Rheostress RS 1 (Gebrueder Haake, GmbH, Karlsruhe, Niemcy). Próbki były termostatowane przez 5 min w 50 C. System pomiarowy składał się z układu walec - 9 z 36
cylinder Z34Ti. Szybkość ścinania zmieniała się w zakresie od 0 do 300 s -1 w ciągu 10 min, następnie utrzymywano stałe ścinanie 300 s -1 przez 1 min, po czym następował spadek szybkości ścinania od 300 to 0 s -1 w ciągu 10 min. Otrzymane dane opisano modelem Ostwald de-waele. Dodatkowo, wykorzystując model Cassona, wyznaczono granicę płynięcia (τ 0 ) w zakresie szybkości ścinania 0-10 s -1 a także pole powierzchni histerezy (Publikacja 1 i 3). 5.3.2.6. Widma mechaniczne kleików oznaczono w reometrze Rheostress RS 1 wyposażonym w układ pomiarowy PP60 Ti (układ płytka płytka). Średnica płytki PP60Ti wynosiła 60,000 mm, szczelinę ustalono na 0,100 mm, a objętość próbki 2 cm 3. Kleik naniesiono na płytkę układu pomiarowego i termostatowano w 25 C przez 5 min. Po nałożeniu próbki została ona pokryta olejem parafinowym by zapobiec odparowaniu. Pomiary widm mechanicznych wykonano w zakresie od 0,1 do 10 Hz przy odkształceniu wynoszącym 0,2% tak, by przebiegały one w zakresie lepkosprężystości liniowej, której zakres ustalono w badaniach wstępnych (Publikacja 1 i 3). 5.3.2.7. Profil tekstury (TPA) żeli mącznych oznaczono wykorzystując do tego celu 5 i 10% żele, które przygotowano w wodzie i wodnych roztworach syropu glukozowego. Badanie TPA przeprowadzono w 0, 1, 5 i 7 dniu chłodniczego przechowywania żeli (Publikacje 1, 3, 4 i 5) Właściwości skrobi i kleików skrobiowych 5.3.2.8. Ziarnistość skrobi oznaczono jak w punkcie 5.3.2.1. 5.3.2.9. Skład chemiczny skrobi oznaczono jak w punkcie 5.3.2.2. 5.3.2.10. Charakterystykę kleikowania 5 i 10% zawiesin skrobi w wodzie i wodnych roztworach syropu glukozowego oznaczono jak w punkcie 5.3.2.3. 5.3.2.11. Krzywe płynięcia kleików skrobiowych oznaczono jak w punkcie 5.3.2.5. 5.3.2.12. Widma mechaniczne kleików skrobiowych oznaczono jak w punkcie 5.3.2.6. 5.3.2.13. Profil tekstury żeli skrobiowych oznaczono jak w punkcie 5.3.2.7. 5.3.2.14. Oznaczenie retrogradacji skrobi przeprowadzono za pomocą turbidymetrycznej analizy 2% kleików sporządzonych w wodzie i wodnych roztworach syropu glukozowego (Jacobson i in., 1997). Ponadto przebieg tego procesu monitorowano poprzez zmianę twardości żeli skrobiowych (Publikacje 4 i 5). Do opisu przebiegu retrogradacji zastosowano równanie Avramiego (Ziobro i in., 2013). 5.3.2.15. Fotografie ziarenek skrobi (Publikacja 1) wykonano posługując się mikroskopem elektronowym HITACHI S-4700 (Lukasiewicz i Kowalski, 2012) 10 z 36
5.3.2.16. Ocenę uszkodzenia ziarenek skrobiowych (Publikacja 1) wykonano oznaczając absorbancję jodu przez skrobię przy długości fali 600 nm (McDermott, 1980). 5.3.2.17. Rozpuszczalność skrobi oznaczono metodą Richtera (1968), a całkowitą zawartość węglowodanów w supernatancie oznaczono metodą antronową (Morris, 1948). 5.3.2.18. Zdolność wiązania wody przez skrobię oznaczono w temperaturze 60 i 80 C metodą z blue dextranem (Tester i Morrison, 1990). 5.3.2.19. Zawartość amylozy oznaczono według metodyki opisanej przez Morrisona i Laigneleta (1983). 5.3.2.20. Rozkład mas cząsteczkowych syropu glukozowego oznaczono metodą HPLC/SEC (Buksa i in., 2013). 5.3.3. Analiza Statystyczna Pomiary wykonano w co najmniej w dwóch powtórzeniach. Zastosowano jednoczynnikową lub dwuczynnikową analizę wariancji ANOVA, a istotność różnic pomiędzy wartościami średnimi zweryfikowano testem Duncana na poziomie istotności α = 0,05. Ponadto obliczono współczynnik korelacji Pearsona pomiędzy cechami. Do obliczeń wykorzystano program Statistica 8.0 (StatSoft, Tulsa, USA). 5.4. Omówienie i dyskusja wyników badań Powstająca w trakcie produkcji BETAVENU resztkowa mąka owsiana (RMO) różni się fizykochemicznymi właściwościami od mąki pszennej (MP), ale w niewielkim stopniu także od zwykłej mąki owsianej (MO) (Publikacja 1). Stąd też postanowiono określić jej właściwości reologiczne, które mogą rzutować na możliwości jej zastosowania jako zagęstnika (Publikacja 1). Analizując dane dotyczące przebiegu kleikowania zawarte w Tabeli 1 oraz na rycinie 1A (Publikacja 1) widać wyraźnie, że mąki owsiane (RMO i MO) w wodnych zawiesinach charakteryzowały się zbliżonym przebiegiem procesu kleikowania, wyraźnie odróżniając się od mąki pszennej (MP). Z kolei temperatura kleikowania (PT) mąki pszennej była taka sama jak w przypadku resztkowej mąki owsianej. Znacznie niższa wartość PT została zaobserwowana w przypadku MO, co może być spowodowana istotnie większą zawartością błonnika, w tym β-glukanów (Publikacja 1). Wartość lepkości maksymalnej (PV) osiągnięta przez mąki owsiane jest wyraźnie różna od tej zaobserwowanej w przypadku 11 z 36
mąki pszennej. Ponadto lepkość maksymalna mąk owsianych została osiągnięta (tpv) znacznie później, niż miało to miejsce w przypadku mąki pszennej (Tabela 1). Przebieg pierwszej części procesu kleikowania można (aż do osiągnięcia lepkości maksymalnej - PV), opisać za pomocą równia logistycznego V = V peak t S R S +t S (Palabiyik i in., 2017), którego parametry zebrano w Tabeli 1. V to lepkość, parametr V p może być identyfikowany z lepkością maksymalną (PV), R to czas potrzebny do osiągnięcia połowy wartości V p, natomiast parametr S ma związek z szybkością wchłaniania wody przez ziarenka skrobiowe, i odpowiada za szybkość wzrostu lepkości, a t to czas procesu (Palabiyik i in., 2017). Jak można zauważyć, poszczególne parametry modelu obliczone dla mąk owsianych znacznie różnią się od tych obliczonych dla mąki pszennej, co wskazuje na odmienny przebieg kleikowania. Wyższe wartości parametru R wskazują na spowolnione pęcznienie ziarenek skrobiowych, co znajduje też potwierdzenie w wartości tpv (Tabela 1). Z kolei wyższe wartości wykładnika S odpowiadają za nachylenie wykresu (Publikacja 1). Po osiągnięciu lepkości maksymalnej obserwuje się spadek lepkości (BD) (Tabela 1), którego wartość w przypadku mąk owsianych była znacznie większa, niż ta zaobserwowana w przypadku mąki pszennej. Wskaźnik ten jest uważany za miarę stabilności termicznej kleików, i jego większe wartości świadczą o niższej odporności kleiku na działanie sił ścinających i temperatury. Jednak przyrównanie tej wartości do wartości lepkości maksymalnej (PV), czyli parametr BD% wskazuje na istotnie wyższą stabilność termiczną kleików z mąki owsianej. Znajduje to też potwierdzenie w wartościach parametru stabilności termicznej kleików HPSI (ang. Hot paste stability index) (Tabela 1). Następujący w trakcie schładzania wzrost lepkości kleiku należy przypisać tworzeniu się wiązań wodorowych i powstawaniu struktury żelu. Zmiany te mogą być opisane za pomocą parametru SB i SB%, które wskazują na skłonność skrobi do retrogradacji (Karim i in., 2000; Palabiyik i in., 2017). Jak można zauważyć (Tabela 1) wartości SB w przypadku obu mąk owsianych są do siebie zbliżone oraz wyraźnie różne od wartości SB oznaczonej w badaniach mąki pszennej. Natomiast w odniesieniu do wartości SB% trudno mówić o podobnej prawidłowości, gdyż nie zaobserwowano statystycznie istotnych różnić pomiędzy wartościami obliczonymi dla poszczególnych mąk. Wyniki pozostałych badań reologicznych jak: krzywe płynięcia czy widma mechaniczne (Publikacja 1) również wskazują na odmienne zachowanie się mąki pszennej w porównaniu do mąk owsianych. 12 z 36
Tabela 1 Wybrane parametry charakterystyki kleikowania 10% zawiesin mąk i skrobi w wodzie oraz parametry modelu opisującego początek kleikowania (na podstawie Publikacji 1) PT* PV BD SB BD% SB% HPSI tpv V p R S R 2 [ o C] [j.b.] % [sek.] [j.b.] [sek.] [-] MP 59,2 b 69 a 37 a 54 a 53,6 a 62,8 a 56,1 a 427,5 a 69,280 261,075 4,162 0,958 RMO 61,8 b 565 c 211 b 514 b 37,3 b 59,2 a 71,3 b 626,6 b 525,399 560,952 19,265 0,972 MO 52,8 a 470 b 191 b 511 b 40,6 b 64,7 a 72,3 b 643,4 b 458,938 537,145 12,894 0,964 SP 61,9 a 887 b 177 a 1428 c 20,0 a 66,8 b 87,4 b 694,8 a 908,211 422,823 6,860 0,999 RSO 72,2 c 847 a 312 b 778 a 36,8 b 59,3 a 74,4 a 637,5 a 883,121 580,409 18,008 0,997 SO 67,0 b 845 a 303 b 923 b 35,9 b 63,0 ab 74,7 a 662,0 a 874,669 615,409 19,041 0,990 *PT temperatura kleikowania, tpv czas potrzebny do osiągnięcia piku (lepkości maksymalnej), PV - lepkość maksymalna, BD - spadek lepkości (Breakdown), SB - wzrost lepkości (Set back), BD%=(BD/PV)*100, SB%=(SB/TV)*100, HPSI wskaźnik stabilności termicznej, Vp - lepkość maksymalna, R czas potrzebny do osiągnięcia połowy wartości lepkości maksymalnej, S współczynnik opisujący szybkość pęcznienia ziarenek skrobiowych Wartości średnie w kolumnach oznaczone tym samym indeksem literowym nie różnią się statystycznie istotnie na poziomie α = 0,05 13 z 36
Otrzymane wyniki pozwalają na stwierdzenie, iż badane mąki owsiane charakteryzowały się odmiennymi właściwościami reologicznymi od mąki pszennej, natomiast nie wykazywały istotnych różnic pomiędzy sobą. Z uwagi na większą lepkość, i stabilność termiczną będą się lepiej nadawały do pełnienia roli zagęstnika (Publikacja 1). Analizując przebieg kleikowania skrobi wyizolowanych ze wspomnianych wcześniej mąk (Publikacja 1 oraz Tabela 1) można zauważyć odmienny przebieg tego procesu w przypadku skrobi pszennej (SP), w porównaniu do obu skrobi owsianych (RSO i SO), co znajduje potwierdzenie w wartościach parametrów opisujących przebieg procesu kleikowania: PV, BD, BD%, HPSI, czy też parametrów dopasowanej krzywej (Tabela 1), co można przypisać pochodzeniu botanicznemu skrobi, które wywiera wpływ na jej właściwości (Publikacja 1). Różnice pomiędzy skrobiami owsianymi i pszenną można było dostrzec również w wynikach pozostałych analiz reologicznych, zwłaszcza w wartościach pola powierzchni histerezy (Publikacja 1). Podsumowując, można zauważyć, iż produkcja preparatu błonnikowego spowodowała tylko niewielkie zmiany w mące owsianej, manifestujące się redukcją rozmiarów cząstek, zmniejszeniem zawartości białka, błonnika pokarmowego oraz β-glukanów (Publikacja 1). Z kolei skrobia owsiana wyizolowana z mąki resztkowej (RMO), w przeciwieństwie do tej wyizolowanej z mąki owsianej (MO), nie występowała w postaci gron, natomiast rozmiar ziarenek nie uległ istotnej zmianie (Publikacja 1). Ponadto, choć zaobserwowano większe uszkodzenie ziarenek skrobiowych w RMO, ich masa molowa nie uległa zmianie. Podobnie nie zaobserwowano zmian w zdolności ziarenek do pęcznienia, co w konsekwencji przekłada się na przebieg kleikowanie skrobi (Publikacja 1 oraz Tabela 1). Widma mechaniczne oraz krzywe płynięcia również nie zostały w istotnym stopniu zmienione wskutek separacji β- glukanów (Publikacja 1). Pozwala to stwierdzić, iż powstająca w trakcie produkcji preparatu błonnikowego BETAVEN resztkowa mąka owsiana (RMO) może być wykorzystana do pozyskiwania skrobi owsianej (Publikacja 1), która z uwagi na swoje unikatowe właściwości może znaleźć zastosowanie w wielu specyficznych gałęziach przemysłu, nie tylko spożywczego (Berski i Achremowicz, 2008, 2011). Kolejnym zagadnieniem omawianych badań było określenie wpływu poziomu dodatku środka słodzącego, jakim jest sacharoza, na przebieg procesu kleikowania zawiesin RMO o różnym stężeniu (Publikacja 2). Otrzymane dane zebrano w Tabeli 2. 14 z 36
Tabela 2. Wpływ stężenia sacharozy w wodzie na przebieg charakterystyki kleikowania zawiesin resztkowej mąki owsianej (RMO) o zróżnicowanym stężeniu (na podstawie Publikacji 2) RMO Sacharoza PT* PVT PV (j.b) BD (j.b) SB (j.b) BD% SB% HPSI (%) (%) (ºC) 0 87,9 c** 94,8 a 28,0 a 5,5 b 34,5 a 19,6b 60,6a 84,2a 4 87,7 bc 95,4 a 33,5 b 4,0 ab 39,5 ab 11,8ab 57,2a 89,9a 5 5 86,4 abc 94,9 a 38,0b cd 3,0 ab 43,0 b 10,5a 56,4a 95,9a 6 86,1 ab 95,8 a 39,0 cd 3,5 ab 43,5 b 10,3a 55,7a 91,6a 7 86,0 a 95,2 a 36,0 bc 2,0 a 44,5 b 6,9a 57,6a 95,6a 10 85,5 a 96,3 a 42,0 d 4,5 ab 51,5 c 9,5a 57,3a 92,5a 0 82,6 c 94,0 bc 74,5 a 26,5 a 86,5 a 36,2b 64,7a 76,5a 4 80,5 bc 94,4 c 89,5 b 27,5 a 107,5 b 31,3ab 63,8a 79,6a 5 79,4 7 93,2 bc 92,0 bc 29,5 a 107,5 b 32,6ab 63,5a 78,7a 6 79,6 ab 93,8 bc 90,5 b 26,5 a 121,0 c 29,8b 65,7a 80,8a 7 77,1 a 93,0 b 96,0 c 26,0 a 117,5 bc 27,6b 63,1a 82,2a 10 78,2 ab 91,5 a 105,0 d 29,0 a 141,5 d 27,6b 65,1a 81,7a 0 66,7 c 91,6 a 224,5 a 89,5 a 195,5 a 39,8a 59,2a 72,3a 4 63,7 ab 92,5 ab 243,5 ab 89,0 a 214,0 b 36,9a 58,4a 73,3a 5 65,7 10 93,3 b 248,0 b 91,0 a 209,5 b 36,9a 57,3a 73,1a 6 64,6 ab 92,4 ab 277,5 cd 112,5 b 222,5 c 40,7a 57,7a 69,6a 7 63,1 a 92,1 ab 272,0 c 107,0 b 228,5 c 39,5a 58,4a 70,5a 10 63,7 ab 92,4 ab 296,5 d 119,5 b 272,5 d 40,3a 60,7a 63,8a 5 86,8 c 95,4 c 36 a 4,0 a 43,1 a 11,4 a 57,5 a 91,6 c 7 79,5 b 93,3 b 91 b 27,9 b 114,3 b 30,9 b 64,3 b 79,9 b 10 64,6 a 92,4 a 260 c 101,8 c 224,8 c 39,0 c 58,6 a 70,4 a 0 79,0 b 93,4 a 109 a 40,7 a 105,7 a 31,9 b 61,5 b 77,7 a 4 77,3 a 94,1 a 122 b 40,7 a 121,2 b 26,7 a 59,8 ab 79,3 a 5 77,2 a 93,8 a 126 bc 41,8 ab 120,7 b 26,7 a 59,1 a 80,7 a 6 76,8 a 94,0 a 136 d 48,0 bc 129,8 c 26,9 a 59,7 ab 80,9 a 7 75,7 a 93,4 a 135 cd 45,5 abc 131,7 c 24,7 a 59,7 ab 82,6 a 10 75,8 a 93,4 a 148 e 50,8 c 155,5 d 25,8 a 61,0 ab 82,8 a *PT temperatura kleikowania, PVT temperatura w maksimum lepkości, lepkość maksymalna, BD spadek lepkości (Breakdown), SB wzrost lepkości (Set back), BD%=(BD/PV)*100, SB%=(SB/TV)*100, HPSI wskaźnik stabilności termicznej. **Wartości średnie w kolumnach oznaczone tym samym indeksem literowym nie różnią się statystycznie istotnie na poziomie α = 0,05. 15 z 36
W przypadku układów: resztkowa mąka owsiana (RMO) - sacharoza - woda (Publikacja 2), zaobserwowano wyraźny wzrost lepkości wraz ze wzrastającą zawartością sacharozy, jak i mąki. Ponadto obserwowano też wcześniejsze wystąpienie zjawiska kleikowania RMO, co objawia się niższą temperaturą kleikowania (PT) zawartej w niej skrobi. Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, iż sacharoza w znaczny sposób wpływa na właściwości kleików mącznych. W obrębie jednego stężenia RMO obserwowano wpływ dodatku sacharozy na temperaturę kleikowania (PT), chociaż obserwowane zmiany zachodziły stopniowo. Obniżenie temperatury PT wraz z pojawieniem się w układzie wzrastającej ilości sacharozy może świadczyć, iż w przypadku mąki, sacharoza nie działa stabilizująco na ziarenka skrobiowe, jak ma to miejsce w przypadku samych skrobi. We wcześniejszych badaniach innych autorów dotyczących wpływu sacharozy na zdolność kleikowania skrobi różnego pochodzenia botanicznego (Pongsawatmanit i in., 2002; Sharma i in., 2009; Zhou i in., 2011) zaobserwowano odwrotne zjawisko temperatura kleikowania wzrastała wraz ze wzrastającą ilością sacharozy, chociaż w przypadku 10% dodatku sacharozy wzrost ten nie był duży. Podobne zjawisko, tj. wzrost temperatury kleikowania skrobi pszennej wraz z wzrastającym stężeniem cukru był obserwowany przez innych badaczy (D Appolonia, 1972; Bean i Yamazaki, 1978; Richardson i in., 2003). Zjawisko podwyższonej temperatury kleikowania skrobi w obecności sacharydów można wytłumaczyć na kilka sposobów. Według Spies a i Hoseney a (1982) cząsteczki cukru obniżają aktywność wodną roztworu, oraz stabilizują amorficzne regiony ziarenka skrobiowego, przez co potrzebna jest większa ilość energii (wyższa temperatura), by doszło do kleikowania/stopienia ziarenek skrobiowych. Inny mechanizm został zaproponowany przez Evansa i Haismana (1982). Według tych badaczy na całe zjawisko kleikowania ma wpływ zarówno aktywność wodna (A w ) układu, jak i udział objętościowy wody w ziarenkach skrobi. Oba te czynniki wpływają na zmianę temperatury kleikowania skrobi w obecności sacharydów. Z kolei Chungcharoen i Lund (1987) oraz Kweon a i in. (2009) oraz Slade i Levine (1987) sugerują, że układ woda-sacharyd ma zmniejszoną zdolność do plastyfikacji, działając wręcz jako antyplastyfikator, w porównaniu do samej wody. Dlatego też by przezwyciężyć ten antyplastyfikujący efekt i by mogło dojść do stopienia kryształów wymagana jest większa ilość energii. Inny mechanizm tłumaczący to zjawisko zaproponowali Kohyama i Nishinari (1991). Zakłada on, że cukier stabilizuje krystaliczne regiony ziarenka skrobiowego, immobilizuje cząsteczki wody, co nie pozostaje bez wpływu na temperaturę kleikowania. 16 z 36
Zmniejszenie temperatury kleikowania wraz ze wzrostem stężenia w układzie zarówno RMO jak i sacharozy (Tabela 2), można tłumaczyć wcześniejszym odnotowaniem lepkości przez układ pomiarowy, na skutek większego oporu stawianego przez pęczniejące składniki mąki (Publikacja 2). Wzrost lepkości kleików RMO obserwowany po wprowadzeniu sacharozy, może być przypisany zwiększonej sztywności napęczniałych ziarenek skrobiowych oraz mniejszą dostępnością wody obecnej w układzie, niezbędnej do kleikowania skrobi (Publikacja 2). Zwiększenie lepkości kleików skrobiowych po dodaniu różnego rodzaju cukrów było również obserwowane przez innych autorów (Pongsawatmanit i in., 2002; Gunaratne i in., 2007; Zhou i in., 2011; Sun i in., 2014; Gökşen i in., 2018), choć można doszukać sie doniesień o przeciwnym wpływie (Sharma i in., 2009). Wzrastający udział sacharozy doprowadził do wzrostu stabilności termicznej kleików, co przejawia się wzrastającą wartością wskaźnika stabilności termicznej HPSI kleików RMO, oraz malejąca wartością wskaźnika BD%, choć zmiany te nie były statystycznie istotne. Zdecydowanie ważniejsze było w tym aspekcie stężenie RMO (Tabela 2) wartość HPSI malała wraz ze wzrastającym stężeniem mąki. Aby określić wpływ sacharozy na przebieg kleikowania zawiesin RMO dane otrzymane z wiskografu Brabendera (Publikacja 2) zostały użyte do modelowania przebiegu krzywej według Palabiyik a i in. (2017). Pierwszą część tej krzywej opisano równaniem typu logistycznego, a otrzymane wyniki podano w Tabeli 3. Jakość dopasowania otrzymanych modeli (R 2 ) nie jest zadowalająca, choć można zauważyć, że wzrasta ona wraz ze wzrastającym stężeniem RMO. W przypadku obliczonych parametrów trudno jest mówić o występowaniu wyraźnych prawidłowości, za wyjątkiem wzrostu wartości V p wraz ze wzrastającym stężeniem mąki, a także parametrem R, który z reguły osiągał najwyższą wartość w kleikach sporządzonych z 5% dodatkiem sacharozy, niezależnie od zastosowanego stężenia RMO. Jednakże ten fakt nie jest skorelowany z czasem w jakim kleik osiągał lepkość maksymalną tpv (p=0,67). Wzrost wartości parametru R, wraz z pojawieniem się w układzie sacharozy, wskazuje na wzrost oporności ziarenek skrobiowych na pęcznienie w obecności sacharozy, co może być spowodowane mniejszą ilością wody dostępnej w układzie (Hoseney i in., 1977), bądź też malejącą aktywnością wodną (Spies i Hoseney, 1982), czy też immobilizacją cząsteczek wody przez cukier oraz stabilizacją regionów krystalicznych skrobi (Kohyama i Nishinari, 1991). 17 z 36
Tabela 3 Wpływ stężenia sacharozy na wartości parametrów równania opisującego przebieg pierwszego etapu kleikowania wodnych zawiesin resztkowej mąki owsianej (RMO) o zróżnicowanym stężeniu (na podstawie Publikacji 2) RMO Sacharoza [%] Parametr* [%] 0 4 5 6 7 10 V p [j.b.] R [sek.] S [-] R 2 [-] 5 35,9 43,7 53,4 47,9 44,5 52,3 7 98,9 135,7 158,9 123,3 159,0 154,9 10 245,6 271,3 281,2 308,0 299,7 295,0 5 535,6 550,5 567,7 547,9 540,6 545,7 7 530,6 551,2 569,3 542,8 573,9 557,1 10 487,3 481,6 519,0 480,6 481,1 494,4 5 7,8 6,5 5,2 6,1 8,7 8,2 7 10,1 8,3 7,3 8,2 6,6 8,0 10 9,2 8,9 9,0 7,7 7,9 8,1 5 0,945 0,943 0,936 0,953 0,964 0,975 7 0,963 0,968 0,962 0,978 0,975 0,977 10 0,979 0,982 0,969 0,977 0,978 0,976 *Vp lepkość maksymalna, R czas potrzebny do osiągnięcia połowy wartości lepkości maksymalnej, S -współczynnik opisujący szybkość pęcznienia ziarenek skrobiowych, R 2 współczynnik determinacji Podjęto także próbę wykorzystania do sporządzenia zawiesin, innego środka słodzącego jakim jest syrop glukozowy (SG). Środki tego typu są wykorzystywane w coraz większych ilościach przez przemysł spożywczy, z uwagi na ich konkurencyjną cenę w stosunku do sacharozy. Do badań tych wykorzystano zarówno mąki: resztkową owsianą (RMO) i pszenną (MP), jak i skrobie (resztkową owsianą (RSO), pszenną (SP) oraz kukurydziane: zwykłą (SK) oraz woskową (SKW)) (Publikacja 3 i 4). Do tej pory nie prowadzono w tak szerokim zakresie badań dotyczących wpływu hydrolizatu skrobiowego (syrop glukozowy - SG) na właściwości funkcjonalne kleików sporządzonych ze skrobi różnego pochodzenia botanicznego. Zaobserwowano wyraźny wpływ SG na przebieg kleikowania zawiesin mąk i skrobi. W wyniku zastępowania wody roztworami syropu glukozowego (SG) o wzrastającym stężeniu, doszło do istotnego wzrostu temperatury kleikowania (PT) czyli do opóźnienia procesu kleikowania, oraz czasu w jakim zostaje osiągnięte maksimum lepkości (tpv). Jest to równoznaczne z występowaniem tego zjawiska w wyższej temperaturze (Tabela 4). Podobną obserwację poczynili inni badacze (Sun i in., 2014). 18 z 36
Tabela 4 Wybrane parametry profilu kleikowania 10% zawiesin mąk i skrobi w roztworach syropu glukozowego o różnym stężeniu (na podstawie Publikacji 3) Próbka* MP RMO SP RSO SG [%] PT PV temp. tpv PV MV TV BD SB BD% SB% HPSI [ C] [sek.] [j.b.] % 0 58,9 a* 75,9 a 437 a 72 a 35 a 97 a 37 a 62 a 51,0 d 63,9 d 56,1 ab 30 61,0 c 85,4 b 535 b 419 b 155 b 731 b 264 b 576 b 63,0 e 78,8 e 47,7 a 40 65,2 e 87,6 bc 548 b 571 c 245 c 1200 d 325 c 955 d 57,0 de 79,5 e 65 bc 50 69,1 f 95,0 dc 842 e 814 d 766 f 2013 f 48 a 1247 e 5,9 a 61,9 d 97,5 e 0 59,2 ab 95,0 d 630 c 571 c 352 d 880 c 219 b 529 b 38,4 c 60,0 d 71,3 c 30 60,5 bc 95,0 d 683 d 890 e 635 e 1417 e 255 b 782 c 28,6 b 55,2 c 81,6 d 40 63,2 d 95,0 d 1170 f 866 de 848 g 1683 f 18 a 835 c 2,0 a 49,6 b 98,6 e 50 67,9 f 95,0 d 1235 g 848 de 832 g 1379 e 16 a 548 b 1,8 a 39,7 a 99,1 e 0 61,8 a 94,5 b 695 a 893 a 712 b 2114 c 181 c 1402 bc 19,9 d 66,8 f 87,4 b 30 66,0 b 95,0 b 698 a 1557 e 1161 d 2989 e 394 e 1826 d 25,1 e 64,1 ef 85,3 b 40 66,9 bcd 94,9 b 770 b 1727 f 1541 f 3834 f 186 c 2294 e 11,2 c 59,9 de 94,1 c 50 68,2 cde 95,0 b 1120 d 1780 f 1745 g 4001 f 35 a 2257 e 2,4 a 55,4 bcd 99,6 d 0 66,7 bc 92,5 a 648 a 847 a 533 a 1314 a 314 d 781 a 36,8 f 59,2 cde 74,4 a 30 67,6 bcd 95,0 b 765 b 1279 c 1107 c 2389 d 172 cb 1283 b 13,1 c 53,1 b 92,4 c 40 68,4 de 95,0 b 878 c 1425 d 1309 e 2826 e 116 b 1517 c 8,1 b 53,5 bc 95,6 cd 50 70,0 e 95,0 b 1247 e 1096 b 1080 c 1751 b 14 a 669 a 0,9 a 37,8 a 99,0 d PT temperatura kleikowania, PT temperatura w maksimum lepkości, tpv czas potrzebny do osiągnięcia piku(lepkości maksymalnej), PV lepkość maksymalna, MV lepkość minimalna, TV lepkość po ochłodzeniu do temperatury minimalnej, BD spadek lepkości (Breakdown), SB wzrost lepkości (Set back), BD%=(BD/PV)*100, SB%=(SB/TV)*100, HPSI wskaźnik stabilności termicznej. Wartości średnie w kolumnach oznaczone tym samym indeksem literowym nie różnią się statystycznie istotnie na poziomie α = 0,05 19 z 36
Opóźnienie procesu kleikowania można tłumaczyć stabilizacją ziarenek skrobiowych przez sacharydy obecne w roztworze SG, które opóźniają kleikowanie poprzez działanie dwóch niezależnych mechanizmów: obniżenie aktywności wodnej (A w ) roztworów, oraz interakcje z łańcuchami skrobiowymi stabilizujące amorficzne regiony ziarenek (Spies i Hoseney, 1982). Ponadto zaobserwowano istotny wzrost lepkości kleików mącznych (RMO) i skrobiowych (RSO), jednakże tylko do 40% stężenia roztworu SG, natomiast przy 50% stężeniu roztworu SG dochodziło do obniżenia lepkości (Publikacja 3 oraz Tabela 4). Natomiast w przypadku skrobi kukurydzianych obserwowano stały wzrost wartości parametru Vp wraz ze wzrastającym stężeniem syropu glukozowego (Tabela 6). Wzrastająca ilość SG wpłynęła na zwiększenie stabilności termicznej badanych kleików skrobi kukurydzianej, co objawiało sie zmniejszającą się wartością BD% oraz wzrastająca HPSI (Publikacja 4 oraz Tabela 4). Natomiast w przypadku parametru SB, identyfikowanego ze skłonnością do retrogradacji, zaobserwowano wzrost jego wartości, co mogłoby wskazywać na wzrastającą tendencję do rekrystalizacji, jednakże analiza zmian wartości SB% pozwala przypuszczać, że w rzeczywistości obecność syropu glukozowego działała hamująco na to zjawisko (Publikacja 3 i 4). Taką tendencję potwierdziły też wyniki kolejnych badań (Publikacja 5). Wyniki modelowania przebiegu początkowego etapu kleikowania zawiesin mąk i skrobi w obecności syropu glukozowego (SG) zostały zaprezentowane w Tabelach 5 i 6. Jak można zauważyć w przypadku kleików skrobi pszennych oraz owsianych wartość V p wzrastała aż do 40% SG (Tabela 5). Wzrost wartości R wskazuje na opóźnione pęcznienie ziarenek skrobiowych wraz ze wzrastającym stężeniem SG, co potwierdza obserwacja zmian czasu potrzebnego do osiągnięcia lepkości maksymalnej (tpv) (Publikacja 4 oraz Tabela 4 6). Z kolei wartości parametru S identyfikowanego z szybkością pęcznienia ziarenek (nachylenie krzywej) wzrastały, za wyjątkiem tych obliczonych dla RMO i RSO (Publikacja 3 i 4 oraz Tabela 5 i 6). W oparciu o wyniki pomiarów krzywych płynięcia i właściwościach tiksotropowych można stwierdzić, że kleiki sporządzone z mąki i skrobi owsianej były płynami pseudoplastycznymi rozrzedzanymi ścinaniem, które w obecności syropu glukozowego wykazywały mniejsze odchylenia od właściwości cieczy newtonowskich. (Publikacja 3) 20 z 36
Tabela 5 Wpływ stężenia roztworu syropu glukozowego (SG) na wartości parametrów równania opisującego przebieg pierwszego etapu kleikowania 10% wodnych zawiesin mąk i skrobi (na podstawie Publikacji 3) Parametr V p * [j.b.] R [sek.] S [-] R 2 [-] Stężenie SG [%] 0 30 40 50 MP 77,935 432,631 618,430 848,699 RMO 577,340 989,189 830,835 833,175 SP 908,371 1723,700 1841,615 1751,631 RSO 846,041 1317,729 1453,097 1065,217 MP 280,255 387,285 424,746 541,871 RMO 567,716 596,920 588,248 639,285 SP 422,852 444,975 511,270 555,624 RSO 576,803 631,393 677,304 730,600 MP 3,700 6,483 6,406 7,187 RMO 17,713 9,447 7,966 7,201 SP 6,857 4,321 6,399 7,819 RSO 19,390 20,311 15,649 7,761 MP 0,985 0,994 0,994 0,998 RMO 0,987 0,980 0,987 0,994 SP 0,999 0,993 0,999 0,999 RSO 0,998 0,996 0,997 0,993 *Vp lepkość maksymalna, R czas potrzebny do osiągnięcia połowy wartości lepkości maksymalnej, S - współczynnik opisujący szybkość pęcznienia ziarenek skrobiowych, R 2 współczynnik determinacji Tabela 6 Wpływ stężenia roztworu glukozowego oraz rodzaju skrobi kukurydzianej na wartości parametrów równania opisującego przebieg pierwszego etapu kleikowania 10% wodnych zawiesin skrobiowych zawierających syrop glukozowy (na podstawie Publikacji 4) Parametr V p * [j.b.] R [sek.] S [-] R 2 [-] Skrobia Stężenie syropu glukozowego 0 10 20 30 40 50 SK 296,0950 337,5281 373,0228 397,8418 476,7781 484,6912 SKW 332,5817 394,1057 443,8212 482,1077 547,7274 621,0553 SK 401,9432 414,2377 440,4737 480,2109 524,6853 584,5591 SKW 264,2368 285,9328 313,2999 408,5277 428,4714 493,2814 SK 9,1295 12,9786 16,9110 18,8075 19,3697 18,9132 SKW 15,4971 19,9846 17,5376 22,7784 22,4191 33,6552 SK 0,9979 0,9957 0,9998 0,9999 0,9998 0,9997 SKW 0,9998 0,9996 0,9994 0,9980 0,9969 0,9993 *Vp lepkość maksymalna, R czas potrzebny do osiągnięcia połowy wartości lepkości maksymalnej, S - współczynnik opisujący szybkość pęcznienia ziarenek skrobiowych, R 2 współczynnik determinacji 21 z 36
Obecność SG wpłynęła na właściwości tiksotropowe, co znalazło odbicie w malejącym polu powierzchni histerezy kleików resztkowej skrobi owsianej (RSO) (Publikacja 3), co może wskazywać na większą zdolność kleików skrobiowych do odbudowy struktury. W przypadku kleików mącznych zjawisko to obserwowano aż do 40% stężenia syropu glukozowego, a dalsze zwiększenie stężenia (do 50%) skutkowało zwiększeniem pola powierzchni histerezy, co świadczyć może o pogorszeniu właściwości zagęszczających kleików mącznych. Zwiększająca się ilość SG doprowadziła do wzrostu twardości żeli mącznych oraz skrobi kukurydzianej woskowej (SKW), co może wskazywać na wzmacnianie struktury takich żeli, poprzez poprzeczne wiązania utworzone z udziałem sacharydów (Publikacja 3 i 4). Z kolei w przypadku żeli skrobi kukurydzianej zwykłej takiej zależności nie zaobserwowano. Przebieg zmian twardości żelu może zostać wykorzystany do analizy procesu retrogradacji skrobi (Karim i in., 2000) i pozwala stwierdzić, iż w przypadku żeli skrobi kukurydzianej obserwuje się początkowy wzrost szybkości reakcji (parametr k), chociaż wraz ze wzrastającym stężeniem syropu wartość ta maleje (Publikacja 4). Podobną obserwację zanotowano w przypadku żeli resztkowej skrobi owsianej (Publikacja 5). Wzrost temperatury kleikowania zawiesin skrobiowych w obecności sacharydów (Publikacja 3 i 4) był też obserwowany przez innych autorów (Pongsawatmanit i in., 2002; Sharma i in., 2009; Sun i in., 2014; Gökşen i in., 2018). Sharma i in. (2009) przeprowadzali kleikowanie skrobi tapiokowej w obecności różnych ilości (0; 10,71; 19,35 i 32,43%) glukozy, fruktozy i sacharozy. Zaobserwowali oni zmniejszenie wartości lepkości maksymalnej (PV) wraz ze wzrastającym stężeniem zastosowanego sacharydu, co stoi w sprzeczności z wynikami osiągniętymi w tej pracy (Publikacje 2 4). Z kolei wyniki innych prac wskazują na wzrost lepkości maksymalnej wraz ze wzrastającą ilością sacharozy kleików skrobi tapiokowej (Pongsawatmanit i in., 2002) czy pszennej (Gunaratne i in., 2007). Wzrastała również lepkość kleików skrobi kukurydzianej w miarę zwiększania się ilości zastosowanych hydrolizatów skrobiowych (Sun i in., 2014), czy też stężonych wodnych ekstraktów z winogron czy karobu (Gökşen i in., 2018). Określenie stabilności termicznej poprzez wartości parametru BD nie daje również spójnego obrazu w pracach innych badaczy. Gunaratne i in. (2007) oznaczyli początkowo wzrastającą wartość BD, co świadczy o malejącej odporności na działanie wysokiej temperatury i sił ścinających, jednakże przy najwyższym zastosowanym stężeniu glukozy i sacharozy wartość ta znacznie zmniejszała się, wskazując na wzrost odporności na te czynniki. Podobne 22 z 36
obserwacje poczynili Sun i in. (2014) w przypadku wykorzystania hydrolizatów. Znalazły one potwierdzenie w wynikach prezentowanych badań własnych (Publikacje 2 4). Jednoznaczny obraz pojawia się w wynikach innej pracy (Sharma i in., 2009), gdzie wraz ze wzrastającym stężeniem zastosowanego cukru (sacharoza, glukoza i fruktoza) wzrasta stabilność termiczna kleików. Skłonność do retrogradacji wyrażona poprzez wzrost lepkości (SB) nie pozwalała na wyciągniecie jednoznacznych wniosków (Gunaratne i in., 2007; Sharma i in., 2009), choć wyniki pracy, w której zastosowano hydrolizaty skrobiowe (Sun i in., 2014) wskazują na zmniejszenie skali tego zjawiska, co potwierdzają też wyniki przedstawione w publikach 2 5. Zaobserwowane przez autora prezentowanego Osiągnięcia zmniejszenie twardości żeli towarzyszące wzrastającej ilości środka słodzącego (Publikacje 4 i 5) nie znajduje potwierdzenia w wynikach prac innych autorów. Twardość żeli pszennych wzrastała w obecności glukozy i sacharozy (Gunaratne i in., 2007), chociaż w przypadku zastosowania największego stężenia sacharozy (40%) z powrotem zmniejszyła się do wartości zbliżonej do próby kontrolnej. Podobnie w przypadku zastosowania wzrastających ilości naturalnych środków słodzących w postaci zatężonych wodnych wyciągów z winogron i karobu (Gökşen i in., 2018) obserwowano wzrost twardości żelu. Twardość żeli sporządzonych z różną ilością hydrolizatów (Sun i in., 2014) nie daje również spójnego obrazu, wskazującego na występowanie wyraźnego trendu. Jedyną prawidłowością, jakiej można sie doszukać w wynikach tych autorów jest znaczne obniżenie twardości próbek (poniżej wartości otrzymanej dla próby odniesienia) sporządzonych z wykorzystaniem hydrolizatu o stężeniu 50%. Zagadnienie wpływu obecności sacharydów na przebieg procesu retrogradacji skrobi różnego pochodzenia botanicznego było przedmiotem badań, których wyniki zostały zamieszczone w kolejnej publikacji (Publikacja 5). Jak wynika z przeglądu literatury przedmiotu, jest to pierwsza próba oznaczenia wpływu hydrolizatu skrobiowego, jakim jest syrop glukozowy (SG) na przebieg procesu retrogradacji skrobi różnego pochodzenia botanicznego. Dotychczasowe dane dotyczące wpływu węglowodanów na przebieg retrogradacji skrobi nie są jednoznaczne. Wyniki pomiarów turbidymetrycznych oraz pomiarów twardości uzyskane w tej pracy pozwalają stwierdzić, iż zakres tego procesu został znacznie zminimalizowany wraz z pojawieniem sie wzrastających ilości SG, co objawiało się malejącymi wartościami A oraz h (Publikacja 5). Zaobserwowano natomiast pewne rozbieżności w przypadku stałej szybkości retrogradacji (k). W przypadku pomiarów turbidymetrycznych kleików skrobi pszennej i owsianej resztkowej (SP i ROS) 23 z 36
wartość ta uległa zmniejszeniu, natomiast wzrosła w przypadku skrobi owsianej (SO). Z kolei w przypadku pomiarów twardości żeli ROS wartość stałej szybkości (k) malała, podczas gdy żeli pozostałych skrobi (SP i SO) rosła, wraz ze wzrastająca ilością syropu glukozowego. Wyniki pracy Gałkowskiej (2008), która wykorzystała do tego celu analizę turbidymetryczną, wskazują na sacharydy jako czynnik zmniejszający szybkość retrogradacji kleików skrobi ziemniaczanej w pierwszych 24 godzinach. Dodatkowo stwierdziła ona, że glukoza, fruktoza i sacharoza są dodatkami zmniejszającymi szybkość retrogradacji modyfikowanych skrobi ziemniaczanych (utlenionej i fosforanu dwuskrobiowego), a z kolei laktoza wywierała efekt przeciwny (Gałkowska, 2008). Innym sposobem oceny zakresu retrogradacji jest analiza wykresu kleikowania skrobi, na którym skłonność do retrogradacji można ocenić określając wzrost lepkości kleiku w trakcie schładzania, czyli tzw. set back (SB) (Karim i in., 2000). Palabiyik i in. (2017) zaproponowali interpretację tego fragmentu krzywej za pomocą równania Arrheniusa: η = A 0 exp E a /RT, gdzie η - lepkośc (cp), A 0 - parametr modelu (cp) E a energia aktywacji (kj/mol), R stała gazowa (8,31445 J/mol*K), T - temperatura (K). Według autorów parametr E a określa szybkość retrogradacji. Tabela 7 Wartość parametrów równania Arrheniusa obliczonych na podstawie przebiegu krzywej kleikowania 10% zawiesin skrobiowych (na podstawie Publikacji 1) A 0 * E a R 2 [cp] [kj/mol] [-] SP 404440 0,1455 0,9941 RSO 24260 0,0790 0,7407 SO 56189 0,1005 09551 *A 0 - parametr modelu, E a energia aktywacji, R 2 współczynnik determinacji Wartości parametrów modelu Arrheniusa obliczone na podstawie przebiegu 10% krzywych kleikowania skrobi zbożowych (Publikacja 1) zostały zebrane w Tabeli 7. Obliczone wartości w przypadku skrobi pszennej (SP) znacznie odbiegały od tych wyznaczonych dla skrobi owsianych (RSO i SO), co wskazuje na odmienny przebieg tej części procesu kleikowania. Analiza danych dotyczących kleikowania skrobi zbożowych (Publikacja 1) oraz ich retrogradacji (Publikacja 5) pozwoliła zaobserwować wystąpienie istotnych zależności pomiędzy parametrem modelu Arrheniusa (A 0 ) a entalpią retrogradacji H ret (p=0,007) i procentem retrogradacji % ret (p=0,034). Ponadto zauważono zależności między wartościami wzrostu lepkości (SB) 10% kleików (Publikacja 1) a wartością 24 z 36