Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wydział Nauk o Żywności AGATA WOJCIECHOWICZ Żywieniowe i technologiczne aspekty zastosowania skrobi opornej i błonnika pokarmowego w produkcji pieczywa Nutritional and technological aspects of the applications of resistant starch and dietary fiber in bread production PRACA DOKTORSKA wykonana pod kierunkiem Prof. dr hab. inż. Zygmunta Gila w Zakładzie Technologii Zbóż Katedry Technologii Owoców, Warzyw i Zbóż WROCŁAW 2011
Co ważniejsze dla sukcesu: talent czy pracowitość? A co ważniejsze w rowerze: przednie czy tylne koło? Nauka staje się niebezpieczna jedynie wtedy, gdy wyobraża sobie, że osiągnęła swój cel. George Bernard Shaw Serdecznie dziękuję promotorowi Panu prof. dr hab. Zygmuntowi Gilowi za opiekę naukową, okazaną pomoc oraz cenne wskazówki podczas powstawania niniejszej pracy Agata Wojciechowicz
Smutek jest samowystarczalny: by odczuć jednak pełną wartość radości, musisz mieć kogoś, by się nią podzielić. Mark Twain Serdecznie dziękuję Moim Najbliższym, szczególnie moim kochanym Rodzicom, Bratu oraz Narzeczonemu za miłość, opiekę, wiarę, otuchę i wsparcie, które dodają mi sił każdego dnia. Kocham Was.
SPIS TREŚCI strona Streszczenie 6 1. Wstęp 7 1.1. Błonnik pokarmowy - budowa, funkcja fizjologiczna oraz technologiczna 10 1.2. Skrobia oporna - typy, funkcja fizjologiczna i technologiczna 14 2. Cel pracy 20 3. Materiał badawczy 21 3.1. Uzyskanie preparatów skrobi ziemniaczanej retrogradowanej acetylowanej (RS4) 21 4. Metody badawcze 24 5. Sposób opracowania wyników 28 6. Omówienie wyników 29 6.1. Cechy jakościowe mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 29 6.1.1. Ocena interakcji dla cech jakościowych mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 30 6.2. Właściwości amylograficzne mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 32 6.2.1. Ocena interakcji dla cech amylograficznych mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 33 6.3. Właściwości farinograficzne mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 34 6.3.1. Ocena interakcji dla cech farinograficznych mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 35 6.4. Cechy jakościowe pieczywa pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 37 6.4.1. Ocena interakcji dla cech jakościowych pieczywa pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 40 6.5. Ocena organoleptyczna pieczywa pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej oraz barwy pieczywa pszennego z preparatem skrobi opornej 42 4
SPIS TREŚCI 6.6. Ocena struktury miękiszu chleba pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 43 7. Dyskusja wyników 46 7.1. Cechy jakościowe mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 46 7.2. Właściwości amylograficzne mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 50 7.3. Właściwości farinograficzne mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 52 7.4. Cechy jakościowe pieczywa pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 56 7.5. Ocena organoleptyczna pieczywa pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej oraz barwy pieczywa pszennego z preparatem skrobi opornej 61 7.6. Ocena struktury miękiszu chleba pszennego z preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej 64 8. Wnioski 66 9. Literatura 68 10. Aneks 81 7
STRESZCZENIE Celem pracy była ocena właściwości mieszanek, ciasta oraz jakości i wartości odżywczej pieczywa wypieczonego z trzech typów mąki pszennej (550, 750, 2000) z udziałem preparatów błonnika pokarmowego różnego pochodzenia (jabłkowego, kakaowego, owsianego) oraz retrogradowanej acetylowanej skrobi opornej (RS4) otrzymanej w warunkach laboratoryjnych. Udział preparatów w uzyskanych próbach wynosił odpowiednio - w przypadku skrobi opornej 10, 20, 30 i 40%, w przypadku błonników pokarmowych - 5, 10 i 15%. Próbę kontrolną stanowiła mąka pszenna bez dodatków (0%). W badaniach oznaczono wyróżniki jakości i cechy amylograficzne mąki pszennej czystej oraz wzbogaconej błonnikiem pokarmowym i skrobią oporną, właściwości farinograficzne ciasta oraz wykonano wypiek chleba i oceniono jego jakość na podstawie objętości, nadpieku i porowatości miękiszu oraz wartość odżywczą na podstawie wartości energetycznej, całkowitej ilości strawionej skrobi (TDS) i całkowitej zawartości błonnika pokarmowego (TDF), a także właściwości organoleptyczne. Wykonano również zdjęcia badanych chlebów przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) oraz ocenę barwy skórki i miękiszu. Badania wykazały, że zastosowane preparaty wysokobłonnikowe zazwyczaj powodowały obniżenie cech jakościowych oraz amylograficznych mieszanek przy jednoczesnej poprawie cech reologicznych ciasta. Chleby wzbogacone preparatami błonnika pokarmowego i skrobi opornej cechowały się wyższym nadpiekiem, mniejszą objętością, lepszą porowatością miękiszu, zwiększoną całkowitą zawartością błonnika pokarmowego (TDF), obniżoną kalorycznością i całkowitą ilością strawionej skrobi (TDS) w stosunku do chleba kontrolnego oraz akceptowaną jakością sensoryczną do 5-10% poziomu suplementacji w przypadku preparatów błonnikowych oraz 10-20% odnośnie skrobi opornej. 6
1. WSTĘP Niech posiłek będzie twoim lekarstwem, a lekarstwo twoim pożywieniem Hipokrates (460-377 p.n.e.) Prawidłowe żywienie jest konieczne nie tylko by zapobiegać chorobom, ale dlatego, ażeby umożliwić wyzwolenie wszystkich potencjalnych sił biologicznych organizmu, co jest warunkiem prawidłowego rozwoju fizycznego i umysłowego oraz wytworzenia należytej odporności na niekorzystne działanie czynników środowiskowych. Prof. Aleksander Szczygieł Na przestrzeni ostatnich lat nawyki żywieniowe ludzi w krajach wysoko rozwiniętych gospodarczo uległy znaczącej i niestety niekorzystnej zmianie. Sprawiły to upowszechnienie osiągnięć postępu technologicznego, informatyzacji, robotyzacji, a także zmiany trybu życia [Diowksz 2006a, Diowksz et al. 2001, Dziugan et al. 2006]. Zmiany cywilizacyjne spowodowały wzrost spożycia żywności wysoko przetworzonej, zubożonej w składniki biologicznie czynne (witaminy i składniki mineralne) oraz składniki włókna pokarmowego, chemicznie konserwowanej, bogatej w cukier rafinowany i tłuszcz (np. słodycze), sprzyjającej uzyskaniu dodatniego bilansu energetycznego, prowadząc do powstawania między innymi otyłości. Skutkiem tego było zmniejszenie w diecie ilości błonnika pokarmowego, który jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu [Bartnikowska 1997a, Kunachowicz & Nadolna 2002, Mielcarz 2004b, Mościcki & Wójtowicz 2009]. Od zawsze działania społeczeństwa skupione były na zaspokojeniu potrzeb żywieniowych, jednakże w miarę wzrostu jego zamożności w miejscu groźby wystąpienia głodu pojawiły się problemy spowodowane nadmiarem spożywanego jedzenia [Diowksz 2006b]. Pojawiło się nowe pojęcie, określane mianem chorób cywilizacyjnych, a dotyczące tych wszystkich schorzeń, których częstotliwość występowania wyraźnie koreluje ze stopniem rozwoju cywilizacyjnego społeczeństwa i wynika z zachwiania równowagi pomiędzy potrzebami energetycznymi organizmu a wydatkowaniem kalorii. Wśród nich można wymienić między innymi próchnicę, otyłość, kamicę żółciową, choroby układu 7
WSTĘP krążenia (miażdżyca, nadciśnienie tętnicze, choroba wieńcowa), uchyłkowatość jelita grubego, przewlekłe zaparcia, nowotwory, osteoporozę, cukrzycę czy alergie. Coraz większa grupa społeczeństwa cierpi na choroby XXI wieku z powodu dużego zanieczyszczenia środowiska, w którym żyjemy, bardzo intensywnego i stresującego trybu życia, małej aktywności fizycznej, a przede wszystkim z powodu bardzo złych nawyków żywieniowych, np. preferowania głównie przez dzieci, młodzież i ludzi w wieku podeszłym jasnego pieczywa pszennego, będącego w świadomości ogółu synonimem dobrobytu, a także odpowiadającego naszemu coraz delikatniejszemu podniebieniu, ubogiego jednak w wartościowe składniki odżywcze oraz błonnik [Bartnikowska 2009, Diowksz 2006b, 2008, 2010, Gąsiorowski 1999, 2003b, Jurga 2006, Melkowski 2000, Mielcarz 2006, Rzedzicki & Zarzycki 2006, Wojciechowicz & Gil 2010a]. W takiej sytuacji najlepszym rozwiązaniem zdaje się wzbogacanie jasnego pieczywa pszennego preparatami wysokobłonnikowymi, które oprócz błonnika zawierają także inne związki, np. teobrominę (preparat kakaowy), kwasy organiczne, witaminy, pektyny czy garbniki (preparat jabłkowy). Do produkcji preparatów wysokobłonnikowych wykorzystuje się przede wszystkim bogate w nieprzyswajalne węglowodany części zbóż, owoców i warzyw, będące odpadami przemysłu zbożowo - młynarskiego i owocowo - warzywnego. Zastosowanie odpadów przemysłowych do produkcji preparatów jest wygodne i opłacalne ze względu na dostępność surowca oraz niski jego koszt [Anioła et al. 2008, Górecka & Anioła 1999, Jurga 2010]. Preparaty wysokobłonnikowe stosowane są głównie w celu obniżenia kaloryczności żywności (jako zamienniki tłuszczu), np. błonnik owsiany, sproszkowana celuloza, otręby pszenne, owsiane, jęczmień, kukurydza, jabłka, groch, buraki cukrowe, w celu zwiększenia objętości i poprawy tekstury, np. czysta i mikrokrystaliczna celuloza, proszek z łuski kakaowej - Canafa oraz ukierunkowanego działania biologicznego, np. preparaty wspomagające odchudzanie, normalizujące gospodarkę lipidową ustroju (błonnik rozpuszczalny w wodzie, głównie pektyny), preparaty wpływające na perystaltykę jelit (błonnik nierozpuszczalny: celuloza i hemiceluloza), ogólnego stosowania (otręby pszenne i owsiane) [Górecka & Anioła 1999]. Polacy jedzą głównie pieczywo mieszane pszenno-żytnie oraz pszenne, natomiast pieczywo żytnie i żytnio - pszenne stanowi jedynie uzupełnienie naszej diety [Mielcarz 2004b, 2010b]. Spożycie pieczywa w naszym kraju przechodzi swoistą metamorfozę, jednakże zauważa się ogólny jego spadek, co kłóci się z zaleceniami lekarzy i dietetyków. Wynika to z gospodarczego rozwoju społeczeństwa i wzrostu Produktu Krajowego Brutto, co bezpośrednio wpływa na zwiększenie spożycia relatywnie droższych, 8
WSTĘP wysoko przetworzonych produktów pochodzenia zwierzęcego oraz zmniejszenie spożycia tańszych, mało przetworzonych produktów pochodzenia roślinnego, szczególnie przetworów zbożowych. W 1934 roku miesięczne spożycie chleba na jednego mieszkańca wynosiło średnio około 11,67 kg, w 1994 7,49 kg/miesiąc, podczas gdy w 2003 roku już tylko 6,13 kg, a według danych GUS, w 2010 r. przeciętne spożycie pieczywa w gospodarstwach domowych w Polsce wynosiło 4,67 kg pieczywa miesięcznie (56,04 kg rocznie) [Bartnikowska 2006, 2009, Mały Rocznik Statystyczny Polski 2011, Piekut 2008]. Od około 10 lat zauważalny jest niewielki spadek spożycia pieczywa tradycyjnego na poczet pieczywa pełnoziarnistego oraz chrupkiego. Wynika to ze wzrostu wiedzy Polaków na temat zdrowego odżywiania oraz budzącej się w nich ciekawości i chęci spróbowania czegoś nowego [Bartnikowska 2009, Mielcarz 2010a]. Pieczywo odzyskuje obecnie należne mu miejsce w codziennej diecie i zaczyna być traktowane jako zdrowy i smaczny produkt o właściwościach żywności funkcjonalnej, powodującej ograniczenie wielu zaburzeń oraz chorób skracających życie i osłabiających siły witalne [Diowksz 2010]. Konsumenci coraz częściej wiążą problemy zdrowotne ze sposobem odżywiania się, co powoduje ciągły wzrost popytu na żywność o ukierunkowanym, pożądanym oddziaływaniu na organizm. Wraz ze zmianą warunków ekonomicznych doszło do zmiany poglądów na sposób odżywiania się i zwłaszcza w krajach rozwiniętych dąży się obecnie do ograniczenia wartości energetycznej posiłków [Bartnikowska 1997a, Leszczyński 2004b, Mielcarz 2004b]. Stąd też poszukuje się takich produktów spożywczych, które z jednej strony zapewniają uczucie sytości, a z drugiej nie dostarczają nadwyżek energii, które nasz organizm odkłada w postaci tkanki tłuszczowej. Taką właśnie szczególną rolę w diecie współczesnego człowieka powinny odgrywać produkty zbożowe i zawarty w nich błonnik pokarmowy [Rzedzicki & Kondzielska 2006]. Produkty żywnościowe otrzymywane na bazie roślin zbożowych i strączkowych stanowią podstawę naszej codziennej diety, a pieczywo, po mleku i jego przetworach oraz ziemniakach, stanowi trzecią największą pod względem spożycia grupę produktów. W modelu racjonalnego żywienia, ilustrowanym graficznie przez piramidę zdrowia, zaraz po codziennej aktywności fizycznej oraz kontroli masy ciała, podstawę stanowią produkty zbożowe (głównie wyroby piekarskie), a szczyt tłuszcze oraz przetwory mleczne i mięso, które należy spożywać w znacznie ograniczonej ilości [Diowksz et al. 2001, Gąsiorowski 2003a]. W modelu optymalnego żywienia rekomendowanym w Polsce zalecane jest codzienne spożycie pięciu lub więcej porcji produktów zbożowych, gdzie jednej porcji odpowiada jedna kromka chleba lub pół szklanki 9
WSTĘP ugotowanych płatków, ryżu, makaronu lub 30 g płatków typu gotowe do spożycia [Bartnikowska 2006, 2009, Diowksz 2008, Kawka 2010]. Chleb jest jednym z podstawowych produktów zbożowych, który doskonale zaspokaja głód, jest łatwo podzielny, jest wygodnym nośnikiem dla innych produktów, dostarcza konsumentom wielu cennych składników odżywczych [Diowksz 2008]. Na przestrzeni wieków ulegał on wielu przemianom, których celem było zwiększenie jego trwałości oraz dostosowanie jego cech do zmieniających się preferencji konsumenta. Obecnie do uzyskania wyrobów o pożądanych cechach jakościowych, przedłużonej trwałości oraz podwyższonej wartości odżywczej stosuje się wiele rozmaitych dodatków. Problem świeżości chleba jest zagadnieniem budzącym od lat duże zainteresowanie zarówno piekarzy, jak i konsumentów [Fik 2004]. Obecnie w centrum uwagi znajduje się problem produkcji pieczywa oraz ciast o przedłużonej trwałości. Producenci pieczywa mają do wyboru wiele polepszaczy, które oprócz podwyższenia wydajności oraz pozytywnego wpływu na właściwości ciasta, mają również pozytywnie wpływać na jakość miękiszu. Jeśli jednak z puli dodatków wykluczymy emulgatory, karboksymetylocelulozę, mąkę guarową itp., to liczba dodatków funkcjonalnych jest niewielka. Z punktu widzenia producenta najodpowiedniejszym byłby dodatek multifunkcjonalny, który poprawiałby nie tylko parametry istotne dla przechowywania, ale także pozytywnie wpływał na objętość, barwę miękiszu i smak pieczywa [Fik 2004, Fujarczuk & Wojciechowicz 2010]. 1.1. Błonnik pokarmowy - budowa, funkcja fizjologiczna oraz technologiczna Ze względu na niższe spożycie błonnika pokarmowego w porównaniu z zaleceniami (dietetycy rekomendują spożywanie około 30-40 g błonnika dziennie, podczas gdy przeciętnie zjadamy tylko 15 g) oraz bardzo ważną rolę błonnika w racjonalnym żywieniu oraz w prewencji i leczeniu niektórych chorób, istotnym zadaniem technologów jest wzbogacanie produktów w błonnik pokarmowy. Można to osiągnąć zwiększając spożycie pieczywa razowego i chrupkiego, kasz, płatków owsianych, warzyw i owoców, a także poprzez dodawanie do pieczywa jasnego i wyrobów ciastkarskich surowców zawierających duże ilości włókna pokarmowego (płatki zbożowe, otręby), ale również preparatów błonnikowych [Diowksz 2006b, Gąsiorowski 2003b, Górecka & Anioła 1999]. 10
WSTĘP Pojęcie błonnika pokarmowego ulegało różnorodnym modyfikacjom. Zgodnie z definicją AACC (2001) błonnik pokarmowy stanowią jadalne części roślin lub węglowodany nieskrobiowe, które są odporne na hydrolizę enzymami trawiennymi i wchłanianie przez człowieka w jelicie cienkim, podlegają one całkowitej lub częściowej fermentacji w jelicie grubym. Błonnik obejmuje polisacharydy, oligosacharydy, ligninę oraz roślinne substancje towarzyszące. Błonnik przyczynia się do dobroczynnego oddziaływania fizjologicznego, obniża poziom cholesterolu oraz glukozy we krwi. Wśród składników włókna roślinnego można wyróżnić frakcje rozpuszczalne w wodzie, należące do grupy prebiotyków (pektyny, gumy, w tym ß-glukany, śluzy, hemicelulozy o wysokim i niskim stopniu rozgałęzienia, ekstrahowane z roztworów obojętnych) i nierozpuszczalne w wodzie (celulozy, ligniny, hemicelulozy ekstrahowane z roztworów kwaśnych). Ich budowa, właściwości fizyczne i działanie w przewodzie pokarmowym oraz efekty metaboliczne są odmienne. Mimo tego, że składnikami włókna pokarmowego są nieskrobiowe polisacharydy i ligniny, należy pamiętać, że znaczna część skrobi z niektórych produktów również nie jest trawiona w jelicie cienkim człowieka (skrobia nasion strączkowych, bananów Mura paradisiaca, surowych ziemniaków i kukurydzy). Tę frakcję, nazywaną skrobią oporną, z fizjologicznego punktu widzenia można zaliczyć do składników włókna pokarmowego [Bartnikowska 1997a, Hasik et al. 1997, Kot 2007]. Poszczególne produkty różnią się ilością i jakością błonnika pokarmowego. W zbożach dominują hemicelulozy, w owocach pektyny, a niektóre warzywa bogate są w ligninę. Zboża zawierają głównie błonnik nierozpuszczalny (oprócz owsa i jęczmienia zawierającego ß-glukany), podczas gdy warzywa, owoce i orzechy cechują się wyższą zawartością błonnika rozpuszczalnego [Jurga 2010]. Błonnik pokarmowy nie należy do substancji biologicznie czynnych, jak na przykład witaminy czy składniki mineralne, jednak wywiera istotny wpływ na metaboliczne i fizjologiczne procesy w organizmie człowieka [Bartnikowska 1997a]. Biologiczne właściwości błonnika w dużym stopniu zależą od wielorzędowej struktury chemicznej włókna w produkcie, a także stopnia jego rozdrobnienia. Właściwości te często są modyfikowane przez warunki środowiskowe, takie jak uwodnienie, ph czy obecność metali. Pokarmy bogate we włókno pobudzają funkcję żucia i wydzielanie śliny, co zapobiega próchnicy zębów oraz pozwala utrzymywać świeżość jamy ustnej. Fizjologiczne oddziaływanie błonnika związane jest głównie z jego zdolnością do tworzenia żeli, wiązania wody, wymiany kationów i wiązania kwasów żółciowych. Błonnik wędruje przez cały 11
WSTĘP przewód pokarmowy w stanie praktycznie niezmienionym, jednakże wzdłuż całej drogi wchłania wodę, przez co zwiększa objętość pokarmu a potem masy kałowej i przyspiesza eliminację niestrawionych resztek, co ułatwia regularne wypróżnianie się. Zwiększenie objętości stolca powoduje rozcieńczenie kancerogenów obecnych w kale. Włókno roślinne pełni w przewodzie pokarmowym człowieka funkcje szczotki fizjologicznej, adsorbenta i wypełniacza. Żywność, która zawiera znaczne ilości błonnika pokarmowego pomaga zapobiegać zaparciom i bólom towarzyszącym hemoroidom, gdyż zwiększa zawartość wody w kale, który łatwiej jest wydalić z organizmu. Dzięki swoim właściwościom błonnik zwiększa wypełnienie jelit, przez co daje uczucie sytości, nie dostarczając przy tym dodatkowej energii. Dieta bogata we włókno przeciwdziała otyłości [Bartnikowska 1997a, 1997b, Gąsiorowski 2003b, Guillon & Champ 2000, Hasik et al. 1997, Kendall et al. 2010, Kot 2007, Mościcki & Wójtowicz 2009, Ohr 2004, Slavin 2005]. Biorąc pod uwagę fakt, że składniki włókna pokarmowego nie są rozkładane przez enzymy trawienne, ich rola jako źródła energii w racji pokarmowej jest znikoma. Przyjmuje się, że wartość energetyczna włókna wynosi od 4,2 do 12,6 kj/g [Bartnikowska 1997a, Mościcki & Wójtowicz 2009]. Naukowcy od wielu lat propagują włókno pokarmowe jako substancję dietetyczną poprawiającą i regulującą pracę organizmu poprzez, między innymi, buforowanie i wiązanie nadmiaru kwasu solnego, chroniąc w ten sposób śluzówkę żołądka. Duża lepkość roztworu przeciwdziała przemieszczaniu się silnie kwaśnej treści żołądkowej do wpustu, ujścia przełyku do żołądka, co zapobiega dolegliwości zwanej zgagą. Zdolność wiązania przez błonnik związków organicznych przyczynia się do zabezpieczenia jelita grubego przed substancjami rakotwórczymi. Dieta wysokobłonnikowa i niskotłuszczowa przyczynia się do obniżenia poziomu hormonów jajników, co wiąże się ze zmniejszeniem ryzyka zachorowania na raka piersi. Błonnik nierozłożony w jelicie cienkim przechodzi do jelita grubego i tam tworzy korzystne podłoże do rozwoju pożądanej flory bakteryjnej. Prawie wszystkie składniki włókna (oprócz ligniny) ulegają fermentacji bakteryjnej, tworząc gazy: metan, dwutlenek węgla i wodór, a także krótkołańcuchowe lotne kwasy tłuszczowe (kwas octowy, masłowy i propionowy), których sole są wchłaniane przez organizm. Lotne kwasy tłuszczowe, jeżeli nie ulegną wchłanianiu, mogą działać jak osmotycznie czynne środki przeczyszczające. Obecność błonnika w jelicie zapobiega powstawaniu toksycznych metabolitów bakteryjnych, zwiększa masę bakteryjną oraz zakwaszenie środowiska w świetle okrężnicy. Włókno zwiększa wytwarzanie maślanów, które chronią komórki błony śluzowej przed złośliwymi transformacjami. Dzięki wolnym grupom karboksylowym składniki włókna mają właściwości jonowymienne. Związki 12
WSTĘP mineralne, a zwłaszcza metale ciężkie mogą zostać nieodwracalnie związane przez włókno, co zapobiega ich wchłonięciu. Od dawna poleca się stosowanie preparatów pektyn w leczeniu zatruć metalami ciężkimi [Brownlee 2011, Gąsiorowski 2003b, Guillon & Champ 2000, Hasik et al. 1997, Mielcarz 2004a, 2006, Mościcki & Wójtowicz 2009, Redgwell & Fischer 2005]. Błonnik rozpuszczalny rozkładany jest do trójkarboksylowych kwasów tłuszczowych, które hamują biosyntezę cholesterolu w wątrobie oraz zmniejszają jego stężenie we krwi. Frakcje włókna roślinnego rozpuszczalne w wodzie opóźniają pasaż treści pokarmowej przez jelito cienkie. Dzięki konsystencji żelu o dużej lepkości wyłapuje i usuwa z jelit kwasy żółciowe, których wątroba używa do produkcji cholesterolu, zatem po ich usunięciu obniża się poziom cholesterolu we krwi. Włókno wiążąc jony sodu obniża ciśnienie tętnicze krwi. Frakcje rozpuszczalne błonnika znacznie łatwiej ulegają rozkładowi, degradacji i fermentacji niż frakcje nierozpuszczalne, przez co stymulują rozwój przyjaznych człowiekowi bakterii jelitowych. Dieta bogata w rozpuszczalne w wodzie składniki włókna wywiera korzystny wpływ na błonę śluzową przewodu pokarmowego w przypadku przyjmowania leków ją drażniących, np. pochodnych kwasu salicylowego [Bartnikowska 1997b, Diowksz 2006b, Giacco et al. 2002, Hasik et al. 1997, Kot 2007, Melkowski 2000, Mościcki & Wójtowicz 2009, Williams 1995]. Błonnik nierozpuszczalny obniża poziom trójglicerydów we krwi, przez co zmniejsza ryzyko miażdżycy. Włókno nierozpuszczalne spowalnia opróżnienie żołądka, a to opóźnia występowanie glikemii posiłkowej i zmniejsza tempo wydzielania insuliny i pomaga w utrzymaniu stabilnego poziomu cukru we krwi, co jest ważne dla chorych na cukrzycę. Ponadto wydzielanie insuliny jest częściowo wywoływane i regulowane przez system hormonalny (żołądkowy peptyd hamujący GIP i enteroglukagon). Wzrost spożycia błonnika prowadzi do obniżenia poziomu hormonów. Błonnik nierozpuszczalny powoduje zwiększanie objętości kału i skrócenie czasu pasażu w organizmie, a za tym skrócenie czasu działania enzymów trawiennych, jak również czasu kontaktu treści pokarmowej z resorbującą powierzchnią jelita, zwiększenie perystaltyki jelit, zapobieganie zaparciom [El 1999, Gąsiorowski 2003b, Giacco et al. 2002, Hasik et al. 1997, Kendall et al. 2010, Kot 2007, Mościcki & Wójtowicz 2009, Toeller 2002, Williams 1995]. Ze względu na te właściwości, włókno roślinne ma duże znaczenie w profilaktyce i leczeniu chorób cywilizacyjnych [Gąsiorowski 1999, Mielcarz 2004a, Wang et al. 2002]. Do niekorzystnych oddziaływań błonnika pokarmowego na organizm człowieka można zaliczyć upośledzenie wchłaniania leków, witamin i składników mineralnych, 13
WSTĘP a w przypadku nagłego dostarczenia nadmiernej ilości błonnika - bóle brzucha i silne wzdęcia. Stosowanie diety bogatej we włókno nie jest polecane dla dzieci i osób w podeszłym wieku z uwagi na zmniejszenie wykorzystania składników odżywczych [Bartnikowska 1997b, Kot 2007]. Korzystne oddziaływanie błonnika na organizm człowieka może być wykorzystane przy produkcji wyrobów żywności funkcjonalnej lub dietetycznej, szczególnie produktów niskoenergetycznych przeznaczonych dla osób dbających o formę czy odchudzających się, dla diabetyków oraz osób zagrożonych miażdżycą, czy odżywek dla osób z niektórymi schorzeniami żołądka [Diowksz 2010, Kot 2007]. Od strony technologicznej wzbogacanie wyrobów w błonnik ma wpływ na wzrost wiązania wody, przez to podczas wypieku tylko w niewielkim stopniu przechodzi ona do otoczenia. Powoduje to wydłużenie czasu trwałości wyrobu oraz okresu przydatności do spożycia, obniżenie jego kaloryczności, uzyskanie konsystencji, którą odbieramy jako soczystą, a przede wszystkim zwiększenie wydajności ciasta, jak i gotowego wyrobu. Woda związana poprzez włókna, a następnie przez wiązania wodorowe nie jest dostępna dla mikroorganizmów, dzięki czemu nie rozwijają się w wyrobach. Trójwymiarowa sieć włókien, bardzo dobra absorpcja tłuszczów i wody związanej poprzez dodatek włókien przyczyniają się do lepszej struktury i stabilności ciasta oraz uzyskania ciast bardziej homogenicznych. Ocena organoleptyczna wyrobów piekarskich z dodatkiem włókien nie odbiega od oceny standardowego produktu, natomiast zawartość błonnika zrównuje się w ten sposób z zawartością w chlebie pełnoziarnistym [Jurga 2006, Kubicka 2000, Mielcarz 2004a, Wojciechowicz & Gil 2010b, Zawadzki 1999]. 1.2. Skrobia oporna - typy, funkcja fizjologiczna i technologiczna W ostatnich latach zainteresowanie zarówno fizjologów, żywieniowców, jak i technologów wzbudza skrobia odporna na hydrolityczne oddziaływanie enzymów układu trawiennego człowieka. Do niedawna uważano skrobię za związek całkowicie trawiony i wchłaniany w jelicie cienkim zdrowego człowieka. Okazało się jednak, że w pełni trawiona jest tylko skrobia skleikowana, skonsumowana zaraz po przygotowaniu oraz surowa skrobia niektórych gatunków roślin, np. zbóż, która ulega powolnemu, ale całkowitemu trawieniu. W związku z tym przyjęto podział na skrobię szybko trawioną (RDS rapidly digestible starch), która pod wpływem działania enzymów jest rozkładana do glukozy w ciągu 20 minut i skrobię wolno trawioną (SDS slowly digestible starch), która ulega rozkładowi 14
WSTĘP pod wpływem enzymów amylolitycznych do glukozy w ciągu następnych 100 minut procesu trawienia [Gawęcki & Hryniewiecki 1988, Lehmann & Robin 2007]. Pewna część spożywanej skrobi może pozostać niestrawiona i w formie nienaruszonej lub w postaci produktów jej niecałkowitej hydrolizy przechodzi przez jelito cienkie do jelita grubego. Tę frakcję skrobi nazwano skrobią oporną (resistant starch - RS), która stanowi różnicę między ilością skrobi spożytej a ilością skrobi rozłożonej przez enzymy do glukozy, która dostaje się do krwioobiegu przez jelito cienkie. Europejski Program Badawczy (EURESTA) definiuje skrobię oporną jako sumę skrobi i produktów jej rozpadu, które nie są wchłaniane w jelicie cienkim zdrowego człowieka [Champ 1994, Rosin et al. 2002]. Na podstawie badań skrobi opornej wyróżniono różne jej formy. Skrobię oporną typu 1 (RS1) stanowi skrobia fizycznie niedostępna dla enzymów trawiennych, zamknięta w obrębie komórek i struktur tkankowych roślin, występująca, np. w nie całkowicie zmielonych ziarnach zbóż i nasionach, müsli [Cummings et al. 1996]. Jest ona niedostępna dla enzymów amylolitycznych, ponieważ w przewodzie pokarmowym człowieka brakuje enzymów zdolnych do rozłożenia celulozy, hemiceluloz, lignin i innych składników ścian komórek roślinnych [Leszczyński 2004b]. Skrobia oporna typu 2 (RS2) to natywna, nieskleikowana skrobia niektórych gatunków roślin, np. surowego ziemniaka lub niedojrzałego banana, która w surowej formie nie jest podatna na działanie enzymów amylolitycznych [Leszczyński 2004a], a typu 3 (RS3) to skrobia zretrogradowana, którą stanowi substancja wytrącona z kleiku lub żelu skrobiowego w procesie retrogradacji (przekształcenia się skrobi bezpostaciowej w krystaliczną). Skrobia taka powstaje podczas czerstwienia pieczywa, w schłodzonych ziemniakach po ugotowaniu oraz w innych produktach skrobiowych [Tako & Hizukuri 2002]. Skrobię oporną typu 4 (RS4) stanowi natomiast skrobia zmodyfikowana chemicznie lub fizycznie, w której przeprowadzone modyfikacje powodują zmiany w strukturze łańcuchów skrobiowych, przez co dostęp enzymów do tych łańcuchów staje się ograniczony. Takie modyfikacje jak prażenie, oksydacja czy acetylacja zwiększają oporność skrobi na działanie amylaz. W miarę zwiększania ilości równoczesnych modyfikacji chemicznych i fizycznych skrobi wzrasta jej oporność na działanie enzymów amylolitycznych [Englyst & Cummings 1987, Haralampu 2000, Leszczyński 2004a]. Skrobia oporna pełni w organizmie człowieka wiele ważnych funkcji i wykazuje działanie prozdrowotne, w związku z czym traktowana jest jako składnik błonnika pokarmowego [Englyst & Hudson 1997, Fuentes Zaragoza et al. 2010, Ohr 2004]. Skrobia modyfikowana występująca w spożywanym pokarmie obniża jego kaloryczność, zwiększa uczucie sytości, zmniejsza uczucie głodu, a także zwiększa zawartość błonnika 15
WSTĘP pokarmowego. Zapewnia ona prawidłową pracę przewodu pokarmowego (zapobiega zaparciom), ponieważ zwiększa masę i objętość kału (skrobia oporna wypełnia przewód pokarmowy w większym stopniu niż wchłaniana w jelicie cienkim skrobia naturalna) oraz skraca czas pasażu jelitowego [Maki et al. 2009], przez co też obniża wartość energetyczną diety. Dzięki temu można zaobserwować mniejszy przyrost masy ciała oraz tkanki tłuszczowej. Podczas gdy skrobia naturalna dostarcza 4 kcal/g, wartość energetyczna uzyskana z jednego grama skrobi opornej jest prawie o połowę niższa (2-3 kcal/g) [Behall & Howe 1996, Leszczyński 2004a, Nugent 2005, Soral - Śmietana & Wronkowska 1999]. Doświadczenie przeprowadzone na zwierzętach laboratoryjnych wykazało, że zastąpienie w ich diecie skrobi naturalnej skrobią oporną powodowało ograniczenie przyrostu masy ciała [Figurska - Ciura et al. 2006, 2007, Staniek et al. 2005]. Zwierzęta doświadczalne odznaczały się także mniejszą ilością tłuszczu podskórnego [Figurska - Ciura et al. 2006]. Dobroczynne oddziaływanie skrobi opornej na organizm człowieka przejawia się w poprawie tolerancji glukozy (obniżenie indeksu glikemicznego ograniczenie poposiłkowego uwalniania glukozy zmniejszając jej stężenie we krwi oraz ilość wydzielanej insuliny), co jest ważne w leczeniu cukrzycy [Al - Tamimi et al. 2010, Annison & Topping 1994, Asp et al. 1996, Behall et al. 2006, Higgins 2004, Sanz et al. 2010, Warshaw 2007]. Niestrawiona skrobia oporna, podobnie jak rozpuszczalny błonnik pokarmowy, ulega w jelicie grubym fermentacji, w wyniku której powstają związki lotne - metan, dwutlenek węgla, wodór oraz krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (octowy, propionowy, masłowy), których stężenie jest znacznie wyższe niż w przypadku diety pozbawionej skrobi opornej [Annison & Topping 1994, Bird et al. 2006, Jenkins et al. 1998, Leszczyński 2004a, Perera et al. 2010, Soral - Śmietana & Wronkowska 1999]. Wskutek tego w jelicie grubym panuje znacznie niższe ph, a co za tym idzie następuje selekcja drobnoustrojów zasiedlających jelito grube (ochrona przeciwnowotworowa jelita grubego), a także zmniejszenie stężenia w kale produktów rozkładu białek (amoniaku toksycznego dla nabłonka jelita grubego w wysokim stężeniu oraz fenolu), wzrost wydzielania azotu [Govers et al. 1999, Muir et al. 2004] oraz obniżenie poziomu mocznika we krwi. Jako prebiotyk stymuluje wzrost, rozwój i aktywność bakterii probiotycznych (bifidobakterii oraz bakterii kwasu mlekowego) oraz eliminuje lub ogranicza liczbę drobnoustrojów niekorzystnych, mogących powodować liczne choroby jelit, na przykład uchyłkowatość czy zapalenie jelita grubego [Le Leu et al. 2010]. Przypuszcza się, że krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe hamują syntezę cholesterolu w wątrobie oraz obniżają aktywność 16
WSTĘP enzymów regulujących syntezę kwasów tłuszczowych, co spowalnia lipogenezę [Fernandez et al. 2000, Higgins et al. 2004]. Skrobia oporna wiążąc kwasy żółciowe w przewodzie pokarmowym oraz zwiększając wydalanie steroli z kałem zmniejsza stężenie cholesterolu i triacylogliceroli w surowicy krwi, co ma istotne znaczenie w zapobieganiu chorobom układu krążenia. W doświadczeniu przeprowadzonym na szczurach rasy Wistar zastosowanie dodatku skrobi opornej do diety spowodowało obniżenie triglicerydów oraz cholesterolu we krwi [Cheng & Lai 2000, Figurska - Ciura et al. 2006, 2007, Vanhoof & De Schrijver 1997]. Badania przeprowadzone na szczurach wskazują, że skrobia oporna może zwiększać absorpcję takich pierwiastków, jak: wapń, magnez, żelazo, fosfor, mangan, cynk i miedź [Grajeta et al. 2007, Orzeł et al. 2007, 2009]. Wiąże się to z powiększeniem jelita ślepego u zwierząt karmionych dietami z dodatkiem skrobi modyfikowanych, co zwiększa powierzchnię absorpcji pierwiastków. Stanowi to istotną różnicę pomiędzy skrobią oporną a błonnikiem pokarmowym, którego zwiększone spożycie ogranicza wchłanianie związków mineralnych. Mechanizm pozytywnego wpływu skrobi opornej na wchłanianie składników mineralnych tłumaczyć można jej zdolnością do ulegania fermentacji w jelicie grubym z wytworzeniem krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA). Kwasy te zakwaszając treść pokarmową stwarzają dogodne warunki dla absorpcji pierwiastków w jelicie (powodują dysocjację związków chemicznych, zwiększa się poziom pierwiastków w formie jonowej, łatwiej wchłanianej), przyspieszają przepływ krwi w krążeniu jelitowym, co sprzyja lepszej wymianie jonów i szybszemu wchłanianiu składników mineralnych [Bird et al. 2000, Grajeta et al. 2007, Lopez et al. 2001, Topping & Clifton 2001]. Kwasy SCFA mogą tworzyć kompleksy ze składnikami mineralnymi, które na zasadzie transportu aktywnego są wchłaniane z przewodu pokarmowego [Younes et al. 2001]. Powstający w wyniku fermentacji kwas masłowy, w większej ilości niż w podczas fermentacji polisacharydów nieskrobiowych, odgrywa ważną rolę w zapobieganiu raka jelita grubego i odbytu. Dzięki zakwaszeniu treści pokarmowej następuje obniżenie cytotoksyczności wód fekalnych poprzez hamowanie konwersji kwasów żółciowych - soli kwasu cholowego oraz zmniejszenie ilości rozpuszczalnego deoksycholanu - wykazującego właściwości kancerogenne. Kwas masłowy stanowi źródło energii dla komórek jelita grubego, działając odżywczo na jego nabłonek, indukuje usuwanie uszkodzonych lub chorych komórek. Odnotowano, że kwas masłowy zwiększa poziom glutationu, przeciwutleniacza w błonie śluzowej jelita, przez co zwiększa się jego odporność na toksyczne związki dostarczane z pożywieniem [Bauer Marinovic et al. 2006, Brouns et al. 2002, Cassidy et al. 1994, Govers et al. 1999, Hamer et al. 2009, 17
WSTĘP Le Leu et al. 2010, Leszczyński 2004a, Shamai et al. 2003, Soral-Śmietana & Wronkowska 1999, Warshaw 2007]. Nugent (2005) donosi także o niekorzystnym oddziaływaniu skrobi opornej na organizm człowieka. Otóż spożycie skrobi modyfikowanej nie powinno przekraczać 30 g dziennie, gdyż większa ilość może powodować wzdęcia, problemy gastryczne oraz działanie przeczyszczające. Zdaniem Eerlingena et al. (1994), dodatek składników o sztucznie podwyższonej zawartości skrobi opornej, w procesie wypieku pieczywa, nie obniża jakości oraz właściwości organoleptycznych otrzymanych produktów, a ponadto powoduje wzrost zawartości błonnika pokarmowego oraz obniżenie wartości kalorycznej wyrobów [Korus et al. 2009, Leszczyński 2004b, Wojciechowicz et al. 2008]. Dodatek skrobi opornej nie powoduje pogorszenia właściwości organoleptycznych produktów ekstrudowanych i pieczywa cukierniczego [Baixauli et al. 2008a, 2008b, Laguna et al. 2011, Yue & Waring 1998b]. Podobnie jak w przypadku błonnika pokarmowego, wzbogacanie pieczywa w skrobię oporną powoduje zwiększone wiązanie wody, a co za tym idzie wyższą wydajność ciasta i gotowego produktu oraz wydłużenie czasu trwałości wyrobu oraz okresu przydatności do spożycia, a także mniejszą objętość pieczywa [Wepner et al. 1999, Yue & Waring 1998a]. Skrobia oporna posiadająca najczęściej jasny kolor i delikatny zapach umożliwia otrzymanie produktów żywnościowych o atrakcyjniejszym wyglądzie i lepszym smaku niż produkty z dodatkiem wyłącznie błonnika pokarmowego. Chleby z dodatkiem skrobi modyfikowanej mają jaśniejszy oraz delikatniejszy miękisz, zbliżony do tradycyjnego pieczywa pszennego. Skrobia oporna zwiększa kruchość oraz nadaje wyjątkowe właściwości teksturalne takich produktów, jak wafle, francuskie tosty, krakersy, ekstrudowane przekąski czy płatki zbożowe [Yue & Waring 1998a,b]. Skrobie modyfikowane znalazły zastosowanie między innymi w produkcji żywności o obniżonej wartości energetycznej, gdzie są wykorzystywane jako zamienniki tłuszczu. Duży udział pieczywa w codziennym pożywieniu zmusza do ciągłej analizy jego wartości odżywczej z uwzględnieniem aktualnej wiedzy z zakresu żywienia człowieka. Pieczywo i przetwory zbożowe mają duży udział w dziennym pożywieniu człowieka, stąd mogą one spełniać dużą rolę w diecie człowieka chorego, wspomagając leczenie, jak i zdrowego, spełniając rolę zapobiegawczą (profilaktyczną) [Mielcarz 2004b, 2006]. W miarę wzrostu zamożności i wiedzy o właściwym odżywianiu się człowieka, wzrastają potrzeby i wymagania odbiorców, które stwarzają poważny i nieunikniony problem dla przemysłu spożywczego w ogóle, a dla piekarstwa w szczególności. Piekarstwo staje 18
WSTĘP wobec konieczności uatrakcyjnienia chleba jako produktu, który w naszych warunkach pozostaje artykułem pierwszej potrzeby. Producent pieczywa ma dzisiaj poważny dylemat. Z jednej strony musi poddać się presji rynku i wycofać z receptury dotychczas stosowane substancje nieakceptowane, aby dbać o swój właściwy wizerunek u konsumenta. Z drugiej strony musi spełniać żądania klientów w odniesieniu do funkcjonalności, cech smakowych oraz możliwie najdłuższego okresu przydatności do spożycia. Takim złotym środkiem może być wzbogacanie pieczywa pszennego preparatami błonnika pokarmowego oraz skrobi opornej. Wyroby takie mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle piekarskim jako pieczywo specjalne, o zmniejszonej kaloryczności, przeznaczone, np. dla chorych na cukrzycę typu drugiego, konsumentów z dolegliwościami układu pokarmowego lub krwionośnego, cierpiących na osteoporozę, dla osób dbających o formę czy otyłych. 19
2. CEL PRACY Na rynku dostępne są różne produkty zbożowe, w tym także chleb, wzbogacone w skrobię oporną. Suplementowanie chleba skrobią oporną jest znane z opisów patentowych, a także różnych publikacji, jednakże dotyczą one najczęściej dodatku skrobi kukurydzianej o wysokiej zawartości amylozy bądź modyfikowanej fizycznie (retrogradacja) lub chemicznie (acetylacja) skrobi tapiokowej, pszennej czy ziemniaczanej. W dostępnej literaturze brak jest doniesień naukowych informujących o badaniach nad wpływem na jakość produktów piekarskich skrobi ziemniaczanej poddanej skojarzonemu działaniu obu czynników. W związku z powyższym podjęto badania, których celem była ocena oraz porównanie wpływu preparatów błonnika pokarmowego różnego pochodzenia (jabłkowego, kakaowego, owsianego) oraz retrogradowanej acetylowanej skrobi opornej (RS4) otrzymanej w warunkach laboratoryjnych na wartość technologiczną mieszanek sporządzonych z mąki pszennej trzech typów (550, 750, 2000) oraz na jakość i wartość odżywczą wypieczonego z nich pieczywa. Cel pracy realizowano poprzez wykonanie następujących zadań badawczych: określenie wartości wypiekowej mieszanek mąk pszennych z preparatami błonnika pokarmowego i skrobi opornej metodami pośrednimi, ocena jakości oraz wartości odżywczej pieczywa pszennego z udziałem zastosowanych preparatów. 20
3. MATERIAŁ BADAWCZY Materiał badawczy stanowiły handlowe mąki pszenne typu 550 (luksusowa, Polskie Młyny, Brzeg), typu 750 (chlebowa, Młyn Diamant Stradunia Sp. z o.o.) oraz typu 2000 (razowa, Firma eko, Piotr Hillar, Tuczki 35, Rybno), do których dodano trzy rodzaje wysokorozdrobnionych preparatów błonnikowych produkcji firmy Microstructure Sp. z o.o. z Warszawy, pochodzących z następujących źródeł roślinnych: wytłoki jabłkowe (błonnik jabłkowy - J) o wilgotności 3,6%, zawartości białka 5,9%, całkowitej ilości strawionej skrobi (TDS) 7,0%; łuska kakaowa (błonnik kakaowy - K) - wilgotność 6,3%, zawartość białka 18,8%, całkowita ilość strawionej skrobi (TDS) 2,1% łuska owsiana (błonnik owsiany - O) o wilgotności 7,1%, zawartości białka 20,1%, całkowitej ilości strawionej skrobi (TDS) 7,8% oraz retrogradowaną acetylowaną skrobię ziemniaczaną (skrobię oporną - RS4) otrzymaną w warunkach laboratoryjnych we współpracy z Katedrą Technologii Rolnej i Przechowalnictwa Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (według schematu - rys. 1) o stopniu podstawienia DS = 0,16; wilgotności 10,9%, zawartości białka 0,2%, całkowitej ilości strawionej skrobi (TDS) 30,0%, temperaturze początkowej kleikowania 55,9 C, temperaturze końcowej kleikowania 66,3 C, maksymalnej lepkości 966 FU. 3.1. Uzyskanie preparatów skrobi ziemniaczanej retrogradowanej acetylowanej (RS4) Preparaty skrobi opornej wytwarzano zgodnie ze zgłoszeniem patentowym numer P-382126 [Zięba 2007]. Z naturalnej skrobi ziemniaczanej Superior Standard wyprodukowanej przez Przedsiębiorstwo Przemysłu Spożywczego PEPEES S.A. w Łomży sporządzano zawiesinę skrobi w wodzie o stężeniu 10%, którą przetrzymywano przez 6 godzin w łaźni wodnej o temperaturze 94 C. Otrzymane pięciokilowe porcje kleików pozostawiano do wystygnięcia przez 12 godzin, a następnie zamrażano przez dwie doby w temperaturze -20 C i rozmrażano dwie doby w temperaturze 20 C. Wytrąconą skrobię o strukturze gąbczastej przemywano trzykrotnie pięciolitrowymi porcjami wody destylowanej, suszono w temperaturze 35 C przez 24 godziny, mielono i przesiewano przez sito o wielkości oczek 400 μm. Proces acetylacji prowadzono analogicznie do sposobu stosowanego w polskich krochmalniach [Mężyński 1972], stosując ze względu na znaczne 21
MATERIAŁ BADAWCZY pęcznienie preparatów skrobi retrogradowanej 4,5 - krotnie większą ilość wody. Otrzymane preparaty skrobi retrogradowanej poddawano procesowi acetylacji bezwodnikiem kwasu octowego w ilości 24,1 cm 3. Do naczynia reaktora wprowadzano 200 g skrobi (w przeliczeniu na suchą masę) i uzupełniano wodą destylowaną w ilości 1533 cm 3. Całość dokładnie mieszano, doprowadzano do ph 8-9 za pomocą 2% roztworu NaOH. Następnie przy ciągłym mieszaniu i utrzymywaniu ph na poziomie 8-9, kroplami dozowano bezwodnik kwasu octowego. Po dodaniu całej ilości bezwodnika mieszaninę reakcyjną mieszano przez 15 minut, po czym zakwaszano 10% roztworem HCl do ph mieszczącego się w granicach 5,2-5,6. Skrobię acetylowaną przemywano wodą destylowaną aż do usunięcia resztek reagentów. Preparaty suszono w temperaturze 30 C przez 24 godziny, następnie rozdrabniano przy pomocy młynka laboratoryjnego typu WŻ-1 (Sadkiewicz Instruments) i przesiewano przez sito o wielkości oczek 265 μm. Udział preparatów w uzyskanych próbach wynosił odpowiednio - w przypadku skrobi opornej 10, 20, 30, 40%, w przypadku błonników pokarmowych - 5, 10 i 15%. Próbę kontrolną stanowiła mąka pszenna bez dodatków (0%). 22
MATERIAŁ BADAWCZY Skrobia naturalna ziemniaczana Sporządzanie kleiku 10% Autoklawowanie 6h, 94 C Zamrażanie i rozmrażanie (2 dni,-20 C) (2 dni, 20 C) Płukanie, suszenie, mielenie (3xH 2 O dest.) (24h,35 C) (młynek Tuptuś) Skrobia retrogradowana <400μm Acetylowanie DS < 0,23 Skrobia retrogradowana acetylowana <265μm Rysunek 1. Schemat sporządzania preparatów skrobi retrogradowanej acetylowanej (skrobi opornej, RS4). 23
4. METODY BADAWCZE Na badanych mieszankach wykonano oznaczenia: zawartości białka ogółem metodą Kjeldahla [PN-75/A-04018] za pomocą aparatu Kjeltec 2400/2460, stosując współczynnik przeliczeniowy Nx5,7, ilości i jakości glutenu mokrego [PN-77/A-74041], wskaźnika sedymentacyjnego testem Axford a [Axford et al. 1979], aktywności α-amylazy za pomocą liczby opadania metodą Hagberga - Pertena [PN-ISO 3093:1996], wodochłonności mąki za pomocą farinografu Brabendera [PN-ISO 5530-1:1999], właściwości reologicznych ciasta za pomocą farinografu Brabendera [PN-ISO 5530-1:1999], Z farinogramów odczytano następujące parametry: * czas rozwoju ciasta, * stałość ciasta, * rozmiękczenie ciasta, * liczbę jakości. właściwości amylograficznych mąki [PN-ISO 7973:2001], Z amylogramów odczytano następujące parametry: * temperaturę początkową kleikowania skrobi, * temperaturę końcową kleikowania skrobi, * czas kleikowania skrobi, * maksymalną lepkość kleików mącznych. Wypiek laboratoryjny pieczywa wykonano metodą tradycyjną Biskupskiego opracowaną w Zakładzie Technologii Zbóż Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu opisaną przez Karolini-Skaradzińską et al. (2001) oraz w zgłoszeniu patentowym numer P-384873 [Wojciechowicz et al. 2008] według następującej receptury: o mąka pszenna 250 g, o drożdże 7,5 g (3% w stosunku do masy mąki), o sól 3,8 g (1,5% w stosunku do masy mąki), o woda do uzyskania konsystencji ciasta na poziomie 300 ± 20 FU. 24
METODY BADAWCZE W przypadku wypieku pieczywa ze zróżnicowanym udziałem stosowanych preparatów, część mąki zastępowano danym preparatem według przykładu: podczas sporządzania ciasta pszennego z 10% udziałem skrobi opornej użyto 225,0 g mąki pszennej oraz 25,0 g RS4. Ciasto sporządzano metodą jednofazową. Czas mieszenia ciasta w miesiarce farinografu firmy Brabender o pojemności 300 g wynosił 3 minuty. Wodę o temperaturze 30 C dodawano z biurety w ilości potrzebnej do otrzymania ciasta o konsystencji 300 ± 20 FU. Ciasto poddawano fermentacji w foremkach w komorze fermentacyjnej (temperatura 30-35 C, wilgotność względna powietrza 85%). Czas fermentacji wstępnej wynosił 90 minut, podczas którego stosowano dwukrotne przegniatanie ciasta: po 60 minutach i następnie po 30 minutach. Po drugim przegnieceniu ciasto pozostawiono w komorze fermentacyjnej do osiągnięcia dojrzałości piecowej. Wypiek chleba prowadzono w piecu laboratoryjnym firmy Brabender w temperaturze około 240 C przez 30 minut. Ostudzone pieczywo pszenne i pszenne z dodatkami (po 2 godzinach od wypieku) poddano ocenie jakościowej, uwzględniając następujące parametry: nadpiek chleba [Jakubczyk & Haber 1983] obliczony ze wzoru: nadpiek = (m ch -250)/250*100% gdzie : m ch - masa chleba wypieczonego z 250g mąki lub mieszanki (g), objętość chleba wypieczonego ze 100g mąki zmierzona za pomocą aparatu SA-Wy (ZBPP Bydgoszcz) [PN-A-74108:1996] i obliczona ze wzoru: V 100 = V 250 *100/250 gdzie: V 100 - objętość chleba wypieczonego ze 100g mąki lub mieszanki (cm 3 ), V 250 - objętość chleba wypieczonego z 250g mąki lub mieszanki, zmierzona aparatem SA-Wy (cm 3 ).. porowatość miękiszu według 8-punktowej skali Dallmana, gdzie 1 punkt przyznaje się miękiszowi o najniższej jakości, a 8 punktów chlebowi o najlepszej jakości miękiszu [Jakubczyk & Haber 1983], 25
METODY BADAWCZE wartość energetyczna chleba metodą Rozentala [Gawęcki & Jeszka 1986], Metoda polega na utlenieniu próbki przez dwuchromian potasowy w środowisku kwasu siarkowego. Nadmiar zużytego dwuchromianu ustala się przez odmiareczkowanie mianowanym roztworem tiosiarczanu sodowego. Liczba gramów dwuchromianu zużyta do utlenienia 100 g badanej próbki, pomnożona przez odpowiedni mnożnik daje wartość energetyczną badanego produktu. całkowita ilość strawionej skrobi (TDS) [Le Thanh et al. 2007], Wszystkie próby zostały skleikowane, następnie strawność skrobi była oceniana poprzez hydrolizę próbek mieszanką trzustkowej α-amylazy i glukoamylazy w temperaturze 37 C przez 16 godzin. Po tym czasie dokonywano pomiaru uwolnionej glukozy przy użyciu oksydazy glukozowej. Do analizy zostały wykorzystane trzustkowa α-amylaza typu VI-B (Sigma) oraz glukoamylaza AMG 300L (Novozymes). Ilość uwolnionej glukozy oznaczono kolorymetrycznie przy λ = 500 nm przy użyciu zestawu diagnostycznego Liquick Cor-Glukose (Cormay, Polska). Dla każdej próby wykonano cztery powtórzenia. Oznaczenie całkowitej ilości strawionej skrobi wykonano na próbach mąki pszennej luksusowej, chlebowej i razowej z udziałem 0, 10, 20% skrobi opornej oraz 0, 5, 10% błonnika pokarmowego w Instytucie Biotechnologii Przemysłu Rolno - Spożywczego w Poznaniu. całkowita zawartość błonnika pokarmowego (TDF) [AOAC 985.29. 1997], Niniejsza procedura określa całkowitą zawartość błonnika pokarmowego w pokarmie za pomocą metod enzymatycznej i grawimetrycznej. Próbki suchego, beztłuszczowego pokarmu poddawane są żelatynizacji z użyciem stabilnej termicznie α-amylazy, a następnie trawione przez enzymy z udziałem proteazy i amyloglukozydazy w celu usunięcia białka i skrobi obecnych w próbce. W celu wytrącenia rozpuszczalnego błonnika pokarmowego dodawany jest etanol. Następnie osad jest filtrowany i płukany w etanolu i acetonie. Po wysuszeniu osad jest ważony. Połowa próbek jest analizowana pod kątem obecności białka, a pozostałe są spopielane. Całkowita zawartość błonnika pokarmowego jest to masa osadu minus masa białka i popiołu. Oznaczenie całkowitej zawartości błonnika pokarmowego wykonano na chlebach wypieczonych z mąki pszennej chlebowej typu 750 z udziałem preparatów błonnikowych, jak i skrobi opornej. 26
METODY BADAWCZE ocena organoleptyczna chleba przy użyciu 9-stopniowej werbalnej skali hedonicznej [Świderski 1999], gdzie 9 punktów przyznaje się próbie o najbardziej pożądanych cechach, a 1 punkt próbie, której cech się zdecydowanie nie lubi. Oceniano wygląd, barwę skórki i miękiszu, konsystencję, zapach i smak chlebów. Grupa oceniająca składała się z 6 osób. Ocenę sensoryczną wykonano na chlebach wypieczonych z mąki pszennej typu 750. Wzór ankiety dołączony do pracy jako załącznik numer 1. barwa skórki i miękiszu chleba na podstawie wyróżników L*, a*, b* otrzymanych za pomocą kolorymetru odbiciowego Minolta Chroma Meter CR-200b, Ocenę barwy skórki i miękiszu wykonano na chlebach wypieczonych z mąki typu 550, 750 oraz 2000 z udziałem skrobi opornej na poziomie 0, 10, 20, 30 oraz 40%. Skrobia oporna jako jedyny z zastosowanych dodatków posiadała barwę zbliżoną do barwy mąki pszennej, stąd też zaplanowano instrumentalny pomiar barwy chlebów z jej udziałem w celu wychwycenia zmian zabarwienia skórki i miękiszu chlebów niewidocznych gołym okiem. Każdy z wykorzystanych błonników posiadał charakterystyczną dla surowca barwę (błonnik jabłkowy barwa jasnobrązowoszara, błonnik kakaowy ciemnobrązowa, błonnik owsiany jasnokremowoszara). struktura miękiszu pieczywa - zdjęcia wykonane za pomocą scaningowego mikroskopu elektronowego metodą crio. Próbki miękiszu chleba o wymiarach 10x10x5mm przyklejono na stoliku i zamrożono w ciekłym azocie. Następnie badany materiał umieszczono w komorze preparacyjnej, gdzie przeprowadzono proces sublimacji (t = 10min, temperatura -90 C). Po tym procesie napylono preparat mieszanką złota i platyny (firma Quorum Technologies model PP2000 Cryo - SEM Preparation Systems). Badany materiał umieszczono w komorze mikroskopu skaningowego firmy ZISEE model EVO LS15 w temperaturze -130 C i wykonano dokumentację fotograficzną w powiększeniu 1500X (1,50 K X) oraz 3000X (3,00 K X). Zdjęcia wykonano w Pracowni Mikroskopii Elektronowej na Wydziale Biologii i Hodowli Zwierząt Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Zdjęcia wykonano na próbach chlebów wypieczonych z mąki pszennej typu 750 z udziałem 0, 5 i 10% błonnika pokarmowego oraz 0, 10, 20, 30 i 40% skrobi opornej. 27