Физические и органолептические аспекты добавления геля мальтодекстрина, используемого в качестве заменителя жира в системах наполнения кондитерских изделий

Физические и сенсорные аспекты гелеобразной добавки мальтодекстрина, используемой в качестве заменителя жира в кондитерских изделиях

Основано на материале статьи: Physical and sensory aspects of maltodextrin gel addition used as fat replacers in confectionery filling systems, LWT - Food Science and Technology, 2014

В связи с увеличением потребления жиров в современном питании человека в последние десятилетия был разработан широкий спектр заменителей жира. Наиболее часто встречающаяся классификация заменителей жира выглядит следующим образом: заменители жира на основе углеводов, заменители жира на основе белков и заменители жира на основе белков, а также их комбинации. Заменители жира на углеводной и белковой основе известны как #POPOVER1#миметики жира#/POPOVER#. Наиболее часто используемыми заменителями жира на основе углеводов являются #POPOVER2#мальтодекстрины#/POPOVER#, модифицированные крахмалы, #POPOVER3#полидекстроза#/POPOVER#, #POPOVER4#пектины#/POPOVER# и т.д. Мальтодекстрины - это продукты гидролиза крахмала, характеризующиеся значением #POPOVER5#DE#/POPOVER# от 0 до 20. Мальтодекстрин с различными значениями DE выражает различные физико-химические свойства. Увеличение значения DE приводит к повышению #POPOVER6#гигроскопичности#/POPOVER#, растворимости и их эффективности для снижения температуры замерзания, в то время как #POPOVER7#вязкость#/POPOVER#, связность и предотвращение образования крупных кристаллов увеличиваются с уменьшением значения DE. Однако мальтодекстрины с одинаковыми значениями DE могут проявлять очень разные свойства, которые могут быть связаны с различными процедурами гидролиза, растительным источником крахмала, соотношением #POPOVER8#амилозы#/POPOVER# и #POPOVER9#амилопектина#/POPOVER# и т.д. Мальтодекстрины обладают способностью образовывать слабые гели, которые являются результатом взаимодействия между #POPOVER10#геликоидальными#/POPOVER# фракциями амилозы и разветвленными фракциями амилопектина. Из-за высокого процентного содержания длинных #POPOVER11#олигомерных#/POPOVER# цепей мальтодекстрины с более низким значением DE имеют более выраженную тенденцию к образованию гелей. Поскольку мальтодекстрины проявляют способность к гелеобразованию, они были введены в пищевую промышленность в качестве модификаторов текстуры, загустителей, заменителей жира и т.д. Свойство мальтодекстринов воспроизводить жироподобный вкус во рту предположительно связано с трехмерной сетью, создаваемой мальтодекстрином при желировании. Неравномерно форма агрегатов мальтодекстрина составляет 3-5 мм в диаметре, что является очень похожим на частицы кристаллов жира, предположительно способствуя жироподобному поведению.

Наиболее сложной задачей при разработке продукта с пониженным содержанием жира является максимально возможное подражание сенсорным и текстурным свойствам продукта с полным содержанием жира.  Свойства пищевой системы в большей степени определяются взаимодействием между ее компонентами, чем свойствами этих отдельных компонентов. В связи с вышеизложенным, снижение содержания жира в продуктах с пониженным содержанием жира может оказать существенное влияние на их переработку. Поэтому необходимо изучить роль различных #POPOVER12#гидроколлоидов#/POPOVER# как заменителей жира и модификаторов текстуры в отношении сенсорных и текстурных свойств, вкуса, аппетита, цвета и т.д. продукта с пониженным содержанием жира.

Согласно многочисленным исследовательским статьям, мальтодекстрины, используемые в качестве заменителей жира, могут быть успешно включены в большую группу продуктов. Было установлено, что мальтодекстрины могут быть использованы в качестве заменителей жира в различных пищевых системах, напр. йогурт, салатные заправки, маргариновые спреды, снеки и т.д. Замена жира в мороженом более 50 г/100 г может быть достигнута при использовании мальтодекстринов в качестве заменителей жира. Более того, добавление мальтодекстрина в рецептуры с пониженным содержанием жира может даже улучшить их текстурные и сенсорные свойства, делая их максимально похожими на продукты с полным содержанием жира. По данным добавление мальтодекстрина и желатина привело к наименьшей дестабилизации хорошо эмульгированного контрольного спреда (не содержащего стабилизаторов) по сравнению с другими гидроколлоидами. Печенье, приготовленное с заменителем жира мальтодекстрином, было оценено сенсорной панелью лучше, чем печенье с другими заменителями жира (полидекстроза, #POPOVER13#инулин#/POPOVER#, сывороточный протеин).

Замена жира в кондитерских изделиях является очень сложной задачей, поскольку они представляют собой сложные полидисперсные системы, состоящие из частиц сахара, какао, сухого молока и других ингредиентов, находящихся в жировой непрерывной фазе. Существует несколько патентов и работ, посвященных снижению содержания жира в шоколаде и кондитерских изделиях. Шоколад с пониженным содержанием жира, просто удалив часть жира без добавления каких-либо жиропонижающих добавок.  Комбинация эмульгаторов с инулином, приготовленная с использованием определенных концентраций и условий распылительной сушки, может быть использована в качестве замены жира в креме для печенья. В этой рецептуре крем для печенья не содержит воды. Однако существуют также некоторые работы и запатентованные методы производства водосодержащего шоколада, в которых вода вводится в виде эмульсии какао-масла. Для создания водосодержащего шоколада особое внимание необходимо уделить стабилизации капель, чтобы предотвратить диффузию воды.

Цель данной работы заключалась в разработке кондитерских изделий с пониженным содержанием жира с использованием двух различных типов мальтодекстрина, которые были включены в виде частиц водного геля, диспергированного в растительном жире. Оценивалось влияние уменьшения количества жира на текстурные свойства продукта, изменения цвета и сенсорные свойства, а также различия в полученных результатах методов сенсорной оценки (количественный описательный анализ QDA) кондитерских систем.

Материалы и методы

В этих исследованиях использовались два коммерческих типа мальтодекстрина: высушенный распылением мальтодекстрин, полученный ферментативным превращением картофельного крахмала (DE ¼ 3,5, влажность ¼ 4,7 г/100 г сухого вещества) Pmdx, и мальтодекстрин, полученный специальным ферментным (изоамилазным) превращением воскового кукурузного крахмала (DE ¼ 2, влажность ¼ 5,5 г/100 г твердых веществ) WMmdx. Кондитерские изделия были приготовлены в соответствии с рецептурой (Таблица 1). 

Для исследования влияния замены жира гелем мальтодекстрина на текстурные и сенсорные свойства, а также на цвет кондитерских систем, были приготовлены растворы мальтодекстрина в твердой концентрации 15 и 20 г/100 г и выдержаны в течение 24 ч при комнатной температуре для образования геля. Полученные мальтодекстриновые гели смешивали с частью растительного жира при скорости перемешивания 6000 об/мин в течение 120 с. Смеси мальтодекстринового геля с растительным жиром готовили в трех различных соотношениях, содержащих 16,7, 33,3 и 50 г/100 г обоих компонентов.

Динамические колебательные измерения гелей мальтодекстрина

Динамические колебательные измерения проводились с помощью #POPOVER14#реометра#/POPOVER#. Все измерения проводились при температуре 20 ± 0,1 ^оС с использованием параллельных пластин PP35 Ti с геометрией измерения (диаметр 35 мм, зазор 1 мм). После загрузки избыток образца на краях пластины был аккуратно отрезан.

Обрезанная и открытая поверхность была покрыта тонким слоем парафинового масла для предотвращения высыхания образца во время измерений. Образец отдыхал в течение 10 мин после нагружения, чтобы остаточные напряжения могли расслабиться. Измерения развертки напряжения проводились при постоянной частоте 1 Гц путем увеличения напряжения от 0,1 до 1000 Па. Затем были проведены испытания с частотной разверткой путем увеличения частоты от 0,1 до 10 Гц при постоянном напряжении, которое находилось в пределах линейной вязкоупругой области. Данные, полученные при испытаниях с разверткой напряжения и частотной разверткой, представляли собой модуль сохранения (упругости) (G₀ ), а также комплексный модуль (G*).

Таблица 1. Состав кондитерских изделий и контрольный образец

Сырье*	(г/100 г)
Сахар	37
Растительный жир	32
Какао-порошок	8
Сухое молоко (цельное жирное)	8
Молочный порошок (свободный жир)	3
Паста из нуги	12
* лецитин и ванилин были добавлены в количестве 0,4 и 0,05 г на 100 г кондитерских изделий

Характеристика геля из мальтодекстрина

Мальтодекстрины могут использоваться для замены жира в сухом виде или в форме геля. В данной работе мальтодекстрины использовались в форме геля. При охлаждении они образовывали гели с гладкой текстурой и безвкусным привкусом шортенинга.
Поведение модуля упругости, который характеризует твердоподобную (упругую) реакцию образца в зависимости от приложенного напряжения, гелей картофельного мальтодекстрина (Pmdx) и воскового кукурузного мальтодектрина (WMmdx) при различных концентрациях показано на рис. 1. При увеличении концентрации мальтодекстрина длина линейной вязкоупругой области (LVR), диапазона напряжений, в пределах которого не происходит разрушения структуры, становится больше, и модуль упругости также увеличивается. Более того, оба геля WMmdx имели более высокий модуль упругости по сравнению с гелями Pmdx.
На рис. 1 показана зависимость комплексного #POPOVER15#модуля упругости#/POPOVER# (G*) от приложенных частот. Комплексный модуль, как комбинация модулей сохранения (G⁰) и потери (G⁰⁰), представляет собой меру сопротивления деформации гелей. При каждом частота, комплексный модуль увеличивался с увеличением концентрации мальтодекстринового геля, что означает, что при более высоких концентрациях (20 г/100 г) оба мальтодекстриновых геля проявляли более сильные вязкоупругие свойства по сравнению с 15 г/100 г мальтодекстринового геля.
Однако, хотя значения G* для гелей WMdx массой 20 г/100 г были примерно в 3 раза выше, чем для гелей массой 15 г/100 г, для гелей Pmdx эти различия были более выражены (более чем в 100 раз). Кроме того, G* практически не зависела от частоты приложенного напряжения в широком диапазоне частот, и она была выше для гелей WMmdx, чем для гелей Pmdx.

Рис. 1. Кривые развертки напряжения и механические спектры гелей картофельного (Pmdx) и специального производного восковой кукурузы (WMmdx) мальтодекстрина 

 - G^/, G^* из 20 г/100 г Pmdx

 - G^/, G^* из 15 г/100 г Pmdx

 - G^/, G^* из 20 г/100 г WMmdx

 - G^/, G^* из 15 г/100 г WMmdx

Также была определена водная активность мальтодекстриновых гелей, как критический фактор, влияющий на срок хранения продукта. Наблюдалась отрицательная корреляция между измерениями активности воды и прочностью геля (рис.1). А именно, с увеличением модуля упругости гелевого комплекса мальтодекстрина значения активности воды уменьшались в следующем порядке: 0,986 для 15 г/100 г Pmdx, 0,984 для 20 г/100 г Pmdx, 0,981 для 15 г/100 г WMmdx и 0,978 для 20 г/100 г WMmdx.

Текстурные измерения

Добавление мальтодекстринового геля, используемого в качестве заменителя жира в системах кондитерского привело к увеличению значений прочности независимо от типа мальтодекстрина. То есть, увеличение замены жира влияло на увеличение значений прочности.  Повышенное содержание воды в шоколаде и шоколадоподобных системах негативно влияет на свойства продуктов, приводя к увеличению их вязкости и показателя текучести. Основной ингредиент кондитерских изделий представляет собой гидрофобные/липофильные частицы сахара, взвешенные в жировой непрерывной фазе. Поэтому одной из важнейших функций используемого растительного жира является покрытие поверхности частиц сахара и минимизация трения между ними. Добавление воды в шоколадоподобные системы приводит к образованию агломератов и комкованию/гранулированию, что приводит к грубой неприемлемой текстуре, обусловленной взаимодействием между гидрофильными поверхностными частицами сахара и добавленной водой. Однако эта проблема может быть сведена к минимуму путем добавления воды в виде эмульсий W/O. Добавление гидроколлоидов в водную фазу также может стабилизировать воду и уменьшить ее диффузию за счет гелеобразующей способности. Таким образом, в данном исследовании вода была стабилизирована мальтодекстрином и включена в виде частиц мальтодекстринового геля, диспергированных в жировой матрице. Однако, одним из основных эффектов снижения содержания жира в продуктах питания является изменение активности воды, что приводит к потенциальному микробиологическому риску, т.е. может увеличить рост патогенных микроорганизмов пищевого происхождения или организмов порчи и, таким образом, сократить срок годности.

Мальтодекстриновые гелевые системы, использованные в данном исследовании, имели высокую водную активность, которая находится в диапазоне микробиологического роста. Более того, приготовление мальтодекстриновых гелей включало в себя сначала термическую обработку, а затем гомогенизацию с растительным жиром при высокой скорости перемешивания (6000 об/мин), что привело к образованию дисперсных систем мальтодекстриновых гелей в непрерывном режиме. Впоследствии эти дисперсии были включены в кондитерские начинки, которые имеют высокое содержание сахара и низкую активность воды, и небольшие изменения в aw в результате уменьшения жира вряд ли увеличат микробиологические риски, поскольку такие изменения не приведут продукт в область микробиологического роста.

Рис. 2. Показатели упругости контрольных и кондитерских изделий с пониженным содержанием жира, содержащих картофельный (Pmdx) и специальный гель из восковой кукурузы (WMmdx) мальтодекстрина. Среднее ± стандартное отклонение 6 повторов. ( - контрольный образец, - 5 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 5 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 10 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 10 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 15 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 15 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля)).

Согласно полученным результатам (рис. 2), все системы с пониженной жирностью, содержащие 15 г/100 г мальтодекстриновых гелей, имели более высокие значения стойкости по сравнению с кондитерскими системами с 20 г/100 г мальтодекстриновых гелей, независимо от типа мальтодекстрина. Однако эти различия не были статистически значимыми (P > 0,05). Причиной такого поведения может быть более низкое значениеw концентрированных систем с 20 г/100 г мальтодекстрина по сравнению с гелем с 15 г/100 г мальтодекстрина. Что привело к снижению миграции воды. 

Сенсорные свойства

Помимо измерения текстуры и цвета, была проведена сенсорная оценка, чтобы определить влияние замены жира на сенсорные свойства кондитерских изделий с пониженным содержанием жира в начинках. Сенсорная оценка продуктов питания, в которой участвуют различные органы чувств человека, приводит к полному анализу текстурных свойств продуктов питания. Во время потребления пищи происходит множество процессов, которые включают в себя деформацию, измельчение, смешивание и гидратацию со слюной, а иногда и изменение температуры, размера, формы и шероховатости поверхности частиц пищи. Более того, то, как пища ломается во рту, влияет как на восприятие ее текстуры, так и на потребительские предпочтения. Вышеупомянутые изменения обычно регистрируются с большой чувствительностью человеческими органами чувств, и их обычно трудно измерить с помощью приборов. Поэтому сенсорная оценка имеет решающее значение как для контроля качества, так и для разработки новой продукции.

Результаты сенсорной оценки с использованием метода суммарных баллов показаны на рис. 3.

Рис. 3. Сенсорная оценка контрольных и кондитерских начинок с пониженным содержанием жира, содержащих картофельный (Pmdx) и специальный восковой кукурузный (WMmdx) мальтодекстриновый гель, методом суммарного балла (20 ¼ максимального балла; менее 14 ¼ сенсорно неприемлемого образца). Среднее ± стандартное отклонение в 3 повторах. ( - контрольный образец,  - 5 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 5 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 10 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 10 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 15 г/100 г заменителя жира (15 г/100 г мальтодекстринового геля),  - 15 г/100 г заменителя жира (20 г/100 г мальтодекстринового геля)).

Согласно методу общей оценки, кондитерские изделия при уровне замены жира 5 г на 100 г выражали схожие и немного, но не статистически значимо (P > 0,05) улучшенные сенсорные свойства по сравнению с контрольными Однако дальнейшее уменьшение количества жира приводило к ухудшению сенсорных свойств. Концентрация геля WMmdx не оказала значимого влияния на сенсорные свойства кондитерских систем. Тем не менее, более выраженные различия в сенсорных свойствах между кондитерскими системами, содержащими 15 г/100 г и 20 г/100 г геля Pmdx при уровне замены жира 5 г/100 г и 10 г/100 г, тогда как при уровне замены жира 15 г/100 г системы, содержащие 15 и 20 г/100 г геля Pmdx, статистически не отличались (P > 0,05). Это согласуется с тем фактом, что гели Pmdx различной концентрации также выражена более выраженная разница в прочности геля по сравнению с гелями WMmdx (рис. 1.). Согласно методу суммарной оценки, кондитерские изделия с уровнем замены жира 5 г/100 г, приготовленные с 20 г/100 г геля Pmdx и с 15 г/100 г и 20 г/100 г геля WMmdx, соответственно, относятся к категории отличного качества, тогда как контроль и кондитерские изделия с уровнем замены жира 5 г/100 г, содержащие 15 г/100 г геля Pmdx, были отнесены к категории хорошего качества. Кондитерские изделия с уровнем замены жира 10 г/100 г, содержащие 20 г/100 г Pmdx геля и с уровнем замены жира 15 г/100 г с 15 г/100 г Pmdx геля были оценены как хорошего качества. Все остальные системы были оценены как сенсорно приемлемые, за исключением систем с содержанием жира 10 г/100 г.

Влияние отдельных параметров качества на общее сенсорное качество кондитерских систем иллюстрирует рис. 4.

Рис. 4. Сенсорная оценка контрольных и кондитерских изделий с пониженным содержанием жира по 5-балльной гедонистической шкале (от 1 - не нравится очень сильно до 5 - нравится очень сильно) отдельный параметр качества (- внешний вид поверхности, цвет; - консистенция, текстура;  - жевательная способность, жевание;  - запах;  -  вкус).

Более низкая общая сенсорная оценка кондитерских изделий с пониженным содержанием жира при уровне замены 15 г/100 г была обусловлена их свойством выражать наихудшее сенсорное качество в отношении внешнего вида, блеска и цвета поверхности, что также можно заметить на рис. 5, где представлен внешний вид поверхности кондитерских изделий после трех месяцев хранения. 

Рис. 5. Внешний вид поверхности кондитерских изделий после 3 месяцев хранения: а) контроль; b) снижение содержания жира на 5 г/100 г с гелем картофельного мальтодекстрина (Pmdx) на 20 г/100 г; c) снижение содержания жира на 10 г/100 г с гелем Pmdx на 20 г/100 г; d) снижение содержания жира на 15 г/100 г с гелем Pmdx на 20 г/100 г.

Помимо внешнего вида кондитерские изделия, содержащие гель мальтодекстрина в количестве 15 г/100 г, имели несоответствующую прочность, в основном с воздушными пузырьками, а в некоторых системах даже с грубо зернистой текстурой. Кроме того, они имели незначительную зернистость (песочность), медленнее плавились и даже проявляли свойства липкости.

Было замечено, что кондитерские изделия с уровнем замены жира 5 г/100 г характеризовались лучшей консистенцией и текстурой по сравнению с контрольными кондитерскими изделиями выражая соответствующую гладкую текстуру, прочность и мягкую консистенцию.

Более того, все системы с уровнем замены жира 5 г/100 г, а также образцы с уровнем замены жира 10 г/100 г и 15 г/100 г, содержащие 15 г/100 г геля Pmdx, характеризовались более выраженным ароматическим запахом, чем контрольный образец. В целом, добавление в гель мальтодекстрина привело к появлению выраженного запаха какао. Аналогично запаху, кондитерские изделия с уровнем замены жира 5 г/100 г характеризовались лучшим вкусом по сравнению с контрольным образцом, который был менее округлым.

Заключение

Добавление мальтодекстриновых гелей в качестве заменителей жира в кондитерские изделия привело к изменению текстурных свойств готовых изделий. Кондитерские изделия с пониженным содержанием жира имели более высокие показатели прочность, независимо от типа мальтодекстрина, по сравнению с кондитерскими изделиями с полным содержанием жира, которые служили контрольным образцом. Кондитерские изделия приготовленные с 20 г/100 г гелей мальтодекстрина картофеля или восковой кукурузы, имели несколько более низкое значение прочности, чем системы, приготовленные с 15 г/100 г гелей мальтодекстрина при том же уровне замены жира, из-за более низких значений aw 20 г/100 г гелей мальтодекстрина. Увеличение количества мальтодекстринового геля с 5 до 15 г/100 г, независимо от типа и концентрации геля, приводило к снижению параметра L*, т.е. системы с пониженным содержанием жира были темнее. По результатам сенсорной оценки, проведенной обученными экспертами, было установлено, что системы с пониженным содержанием жира 5 г/100 г обладают несколько лучшими сенсорными свойствами по сравнению с контрольным образцом. Более того, результаты метода суммарной оценки показали, что большинство образцов с пониженным содержанием жира были сенсорно приемлемыми. Результаты гедонистического теста, проведенного необученными экспертами, показали, что контрольные образцы и образцы, получившие наивысшую и наименьшую оценку обученных экспертов, были сенсорно приемлемыми. Вкус систем с пониженным содержанием жира незначительно отличался от контрольного образца. Кондитерские изделия с пониженным содержанием жира были оценены выше, чем контрольный образец, в отношении запаха. Напротив, текстура/жевательность была лучше у контрольного образца, чем у систем с пониженным содержанием жира. Однако система с пониженным содержанием жира 5 г/100 г характеризовалась самыми низкими значениями стандартного отклонения для гедонистических что означает, что эта система была оценена наиболее единообразно. Следовательно, система с пониженным содержанием жира 5 г/100 г была более приемлемой с сенсорной точки зрения, чем другие испытанные системы.