Отримання харчових волокон із зернової сировини, їх види та застосування у технології хлібобулочних виробів

 

2.1. Хімічний склад та біологічна цінність харчових волокон

Клітковина (харчові волокна)  – це частини рослинних тканин, стійкі до ферментів шлунково – кишкового соку людини. Вони не перетравлюються в організмі людини, але грають велику роль у процесі травлення. За хімічним складом клітковина – це неоднорідна група речовин, зокрема полісахариди (целюлоза, геміцелюлоза, камедь, пектини, слиз), лігнін та кутин. Вміст у продуктах харчування коливається від 45 – 55% (висівки) до 0%. Вміст харчових волокон у продуктах неоднаковий. Середня кількість (1—1,9 г/100 г продукту) міститься у моркві, солодкому перці, петрушці, редисі, гарбузах, дині, чорносливі, лимоні, апельсинах, брусниці, квасолі, гречаній та перловій крупах, житньому хлібі. Більш високий вміст (2—3 г/100 г продукту) виявлений у часнику, журавлині, червоній та чорній смородині, чорноплідній горобині, хлібі з білково-висівкового борошна. Більш як 3 г/100 г продукту харчових волокон міститься у кропі, куразі, полуниці, малині, чаї (4,5 г/100 г), вівсяному борошні (7,7 г/100 г), пшеничних висівках (8,2 г/100 г), сушеній шипшині (10 г/100 г), смажених зернах кави (12,8 г/100 г), вівсяних висівках (14 г/100 г). Добова потреба у харчових волокнах дорослої людини становить 20—35 г, але реально середньостатистичний європеєць отримує їх не більше 13 г. По даним єдиного в нашій країні дослідження по вживанню харчових волокон, сумарна кількість харчових волокон в добовому раціоні харчування населення Донбасу коливається в середньому в межах від 24,0-26,3 г, в тому числі клітковини – в межах 5,9-6,7, пектина – 2,0-2,7, геміцелюлоз – 16,1-16,9. Тобто за цими даними можна зробити висновок, що добова потреба в клітковині і пектині задовольняється на 1/3. Недостатність харчових волокон у раціонах призводить до ряду патологічних станів, так або інакше пов’язаних з порушенням мікрофлори кишечнику. З дефіцитом харчових волокон у раціоні пов’язують розвиток таких хвороб, як рак товстої кишки, жовчно-кам’яна хвороба, цукровий діабет, ожиріння, ішемічна хвороба серця, тромбоз судин нижніх кінцівок та ін.

 

Основні складові харчових волокон:

Целюлоза – основна складова частина клітинних стінок рослин, найпоширеніший у природі біополімер – високомолекулярний лінійний поліцукрид β-1,4глюкан-(С₆Н₁₀О₅)_n зі ступенем полімеризації 2000…26000. Основним повторювальним структурним елементом полісахариду є дисахарид целобіоза,який складається з залишків α- і β-глюкози. Молекула целюлози має гвинтову вісь другого порядку. Характерною особливістю полімеру є здатність утворювати надмолекулярні структурні елементи – мікрофібрили, які складаються з сукупності паралельних макромолекул.

Основна фізіологічна роль – підтримання нормальної мікрофлори товстого кишечнику, підвищення адсорбції мінеральних речовин у ньому. При щодобовому вживанні 10…20 г целюлози зростає виведення з організму магнію, кальцію, заліза, цинку,фосфатів, радіоактивного стронцію, знижується кислотність їжі, скорочується тривалість проходження їжі через травний канал, а отже і перебування токсичних речовин в організмі.

Геміцелюлози – група полісахаридів, до якої входять арабінами, крилани, галактани, манани. Разом з целюлозою і лігніном формують клітинні стінки рослин. Геміцелюлози і целюлози беруть участьу метаболізмі,і залежно від фізіологічного стану організму виконують функції як структурних, так і резервних сполук.

Арабінани – полісахариди, супутні пектиновим речовинам. Виділяються із цукрового буряка, яблук. Вирізняються ступенем розгалуження. Розчинні, легко гідролізують.

Ксилани – полісахариди, що входять до групи геміцелюлоз, мають відносну молекулярну масу30000…40000. Макромолекули розгалужені. Комплекси ксиланів характерні для вегетативних частин рослин – насіння і листя.

Галактани – [(С₆Н₁₀О₅)_n, де п - 120], вищі полісахариди (поліози), поширені в рослинних тканинах як запасні вуглеводи і структурні елементи клітинних оболонок, а також в тканинах тварин. Головна елементарна ланка - піранозні залишки галактози, сполучені глікозидними зв'язками як між 1-4, так і між 1-3 і 1-6 атомами вуглецю. Складають вуглеводну частину агар-агару, входять до складу пектинових речовин, багатьох рослинної камеді, слизів і ін.

Манани формують хвойну деревину, водорості, дріжджі. Галактоманани містяться у насінні зернових.

Фруктани зараховують до складових геміцелюлоз. Містяться в зернах пшениці, ячмені, топінамбурі, у бактеріях деяких видів.

Роль геміцелюлоз у харчуванні різнобічна, хоча вивчена мало. Вони виявляють позитивний вплив на ліпідний обмін, на вміст холестерину і жовчних кислот у крові, знижують концентрацію важких металів,сорбують білкові речовини і їх метаболіти, змінюють їх швидкість ферментації, сорбують патогенну мікрофлору, здатні гальмувати запальні процеси в організмі і розвиток ракових пухлин.

Пектинові речовини – велика група природніх вуглеводів, які містяться у всіх рослинах.

Ці полісахариди (гетерополісахариди) побудовані із залишків галактуронової кислоти, яка є продуктом окислення глюкози. Вони є неоднорідними і зустрічаються у вигляді протопектину, пектину, пектинової та пектової кислоти. Основна функція пектинових речовин – підтримувати тургор у тканинах. Крім того, пектини підвищують посухостійкість рослин, сприяють тривалому зберіганню овочів і плодів. Пектинові речовини входять до складу клітинних стінок рослин, складаючи до 52% клітинної маси. У хімічному відношенні пектинові речовини – високомолекулярні ангідриди пентоз і гексоз. Вони досить стійкі до дії бактерій, але піддаються гідролітичному розщепленню в природних умовах під впливом ферментів, у результаті чого утворюються пентозани (С₅Н₈О₄)_n і гексозани (С₆Н₁₀О)_n.

 Нерозчинний пектин – протопектин, входить до складу міжклітинних пластин, які з'єднують клітини між собою. Багато його в недостиглих плодах і овочах, при достиганні яких протопектин під дією ферментів переходить у пектин, а плоди і овочі розм'якшуються. Протопектин — це сполука, яка складається із великої кількості залишків молекули полігалактуронових кислот, які з'єднані в довгі ланцюжки. Ці ланцюжки з'єднані між собою через іони кальцію і магнію. Заміна іонів кальцію і магнію (під час теплової обробки) одновалентними іонами натрію, калію призводить до розриву зв'язків між ланцюжками полігалактуронових кислот і переходу протопектину в пектин.

Пектин – розчинна у воді речовина, яка міститься у клітинному соці плодів і овочів. При варінні з цукром і кислотами пектин утворює драглі. Цю його властивість використовують у кулінарії при приготуванні солодких страв з утворенням драглів, у виробництві мармеладу, джему, варення, конфітюрів, пастил та ін. Пектин є складним ефіром метилового спирту і пектинової кислоти. Він має важливі біологічні властивості, які обумовлені наявністю вільних карбоксильних та гідрокарбоксильних груп галактуронової кислоти. Ці групи здатні зв’язувати важкі метали в тому числі радіонукліди, з утворенням нерозчинних комплексів, які виводяться з організму. На пектинові речовини багаті яблука, айва, абрикоси, сливи, чорна смородина, алича, столові буряки – в середньому 0,01-2 %. Пектинова і пектова кислоти утворюються з пектину під дією ферментів при перестиганні плодів і надають їм кислого смак. Пектинові кислоти, частина кислотних ланок яких існує у вигляді метилового естеру (пектинати — їхні солі). Пектові кислоти, яким притаманна відсутність естерних груп (пектати — їхні солі). Фізіологічні властивосі пектинових речовин: бактерицидні властивості, позитивно впливають на процес травлення, виводить з організму важкі метали і радіонукліди, регулюють вміст холестерину, позитивно впливають на внутрішньоклітинні реакції дихання та обміну речовин, підвищують стійкість організму до алергічних факторів, стимулюють загоювання ран, прискорюють лікування опіків.

Лігнін - органічна речовина, що поряд з целюлозою є складовою частиною здерев’янілих тканин вищих рослин. Разом з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин. Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35%) і листяних (20-25%) порід. У нижчих рослин – водоростей, грибів, мохів немає. За своїм хімічним складом займають особливе місце серед всіх природніх полімерів. Вони побудовані зі структурних елементів С₆ –С₃ кисневих похідних феніл пропану. Вони мають нерегулярну будову, а це виключає розгляд їх як індивідуальної хімічної речовини. Кисневі похідні феніл пропану містять різну кількість карбонільних, карбоксильних і фенольних груп. Фізіологічні властивосі: так як лігнін є складовою частиною харчових волокон, причому практично не перетравлюваною і не засвоюваною, тому позитивно впливає на перистальтику кишечнику (запобігає закрепам), впливає на обмінні процеси різних нутрієнтів (під час профілактики цукрового діабету, атеросклерозу, ішемії), зменшує концентрацію шкідливих і токсичних речовин, що надходять до організму з водою, харчовими продуктами, повітрям. У медицині використовують лігнін, який є продуктом високотемпературного варіння деревяної тріски, соняшникового лушпиння з розбавленим розчином сірчаної кислоти. До складу лікувального лігніну входять лігнін і супутні йому целюлоза, геміцелюлоза, мінеральні елементи і інші речовини. Застосовують ці препарати під час хронічних захворювань ШКТ інфекційного і неінфекційного походження, при гострих запальних хворобах, при хронічній недостатності, алергодерматозах, що пов’язані з харчовою алергією, атеросклерозом, під час захворювання на рак прямої кишки, цукровий діабет, ожиріння. Ентеросорбенти на основі лігніну надають ентеросорбуючу дію, дезінтоксикаційну, протидіарейну, антиоксидантну, гіполіпідемічну та комплексоутворюючу дію.

Термін  лігніновуглеводні комплекси застосовують для позначення розчинних фрагментів здерев’янілих рослинних матеріалів, що містять лігнін. Для ЛВК, що об’єднують лігнін, геміцелюлози, характерні складно ефірні, глікозидні та інші зв'язки  між функціональними групами лігніну і полісахаридів. Виділяють розмелюванням сировини, екстрагуванням діоксаном та іншими розчинниками, методами фракційного осадження, хроматографії, електрофорезу. Крім хімічних зв’язків, між лігніном і вуглеводами існують і водневі сили, сили Ван-дер-Ваальса та механічного зчеплення.

Вуглеводно-білкові комплекси виділив О. А. Антипіна, обробляючи висівки пшениці, жита, кукурудзи розбавленими розчинами мінеральних кислот при температурі 96…98 °С. При цьому йде частковий гідроліз ковалентних зв’язків, які об’єднують білок і крилан.

Камеді  — це густі соки, які виділяються  з надрізів або пошкоджених ділянок деяких рослин. За хімічною будовою камеді належать до полісахаридів, у складі яких е пентози, гексози, різні уронові кислоти. Засохлі камеді мають вигляд склистих, твердих, крихких кусків жовтого або бурого кольору. Камеді бубнявіють або повністю розчиняються у воді, утворюючи колоїдні розчини. В органічних розчинниках (спирті, ефірі, бензині) камеді не розчиняються. Поряд з чистими камедями є камедесмоли (суміші камедей із смолами), камедемаслосмоли, тобто суміші камеді з ефірними оліями і рослинними смолами. 
Розчини камедей у воді застосовуються в медицині як обволікаючі засоби для сповільнення всмоктування лікарських речовин у кишках або зменшення подразнювальної дії їх. Камеді також використовують як емульгатори при виготовленні масляних емульсій.

С л и з  и — це група колоїдних полісахаридів, які утворюють в'язкі й клейкі розчини у воді. За хімічною структурою їх відносять до безазотистих сполук полісахаридної природи. Слизи дуже подібні до камедей, від яких їх важко відрізнити. 
У медичній практиці слизи, як і камеді, використовуються як пом'якшувальні й обволікаючі засоби, що захищають слизову оболонку від подразнень, сповільнюють всмоктування отрут і ліків, а також подовжують дію ліків у кишках. Слизи у значній кількості містяться в насінні льону, ромашці лікарській, корені алтеї, бульбах салепу, череді трироздільній, подорожнику та ін. 
Крохмаль — це полісахарид, який відіграє роль депо харчових речовин. У рослинах утворюється як кінцевий продукт асиміляції вуглекислоти. Найбільше крохмалю міститься в бульбах, плодах, насінні, стеблах, корінні і кореневищах рослин у вигляді крохмальних зерен. Крохмальні зерна набрякають у холодній воді, а при підігріванні утворюють в'язкий колоїдний розчин — крохмальний клейстер.

 

2.2. Класифікація харчових волокон

1). За  сировинними джерелами:

- традиційні: харчові волокна злакових, бобових  рослин, овочів, коренеплодів, фруктів, ягід, цитрусових, горіхів, грибів, водоростей

- нетрадиційних:  харчові волокна листяної і  хвойної деревини, стебел злаків, очерету, трав

2). По  водорозчинності:

- водорозчинні: пектин, камедь, слиз,

- водонерозчинні: целюлоза, лігнін

3) По  мірі мікробної ферментації в  товстій кишці:

- що майже  (чи) повністю ферментуються: пектин, камедь, слиз, геміцелюлози

- що частково  ферментуються: целюлоза, геміцелюлоза

- неферментовані: лігнін.

4) За  характером біополімерів :

- гомогенні  (однорідні), сформовані з подібних  високомолекулярних речовин: целюлоза, пектин, арабінами, лігнін;

- гетерогенні  (неоднорідні), які включають біополімери  кількох видів: геміцелюлози, геміцелюлозо-целюлозо-лігніни;

5) За  концентрацією у виділених препаратах:

- вихідна  сировина, що містить до 30 % ХВ:побічні  продукти переробки зерна, фруктові  вичавки, лушпиння;

- концентрати  ХВ що включають 60…90 % цих компонентів:  концентрати ХВ томатних вичавок,  пшеничних висівок;

- напівконцентрати  ХВ, що включають 30…60 % власне  волокон: висівки зерна;

-  Ізоляти  ХВ, в яких понад 90 % власне ХВ: лігнін, целюлоза;

6) За  водоутримувальною здатністю:

- сильноводозвязувальні,  що зв’язують більше ніж 8 г  води/ г ХВ: ХВ бурякового жому, виноградної лози,

- середньоводозвязувальні,  що зв’язують від 2 до 8 г води/ г ХВ: ХВ пшеничних висівок, виноградних вичавок;

- слабководозвязувальні,  що зв’язують до 2 г води/ г  ХВ: ХВ і целюлоза макухи виноградного  насіння.

7) За сорбційною здатністю:

катіоніти:

- сильні - 0,003 моль/г ХВ ( ХВ рисового лушпиння,конюшини, луцерни);

- середні  – 0,001…0,003 моль/г (ХВ селери, ревеню, цибулі,   );

- слабкі  – до 0,001 моль/г ХВ (ХВ жому цукрового  буряку, груші, гороху);

аніоніти:

- сильні - 0,003 моль/г ХВ ( ХВ конюшини, люцерни,  виноградної лози);

- середні  – 0,001…0,003 моль/г (ХВ оболонок  гречки, гороху, рисового лушпиння, виноградних вичавок);

- слабкі  – до 0,001 моль/г ХВ (целюлоза і  целолігнін макухи виноградного  насіння);