O comparatie a proprietatilor reologice ale fainii de grau pentru aluat si glutenul sau pregatit prin ultracentrifugare

O comparatie a proprietatilor reologice ale fainii de grau pentru aluat si glutenul sau pregatit prin ultracentrifugare

Ultracentrifugarea a fost folosita ca un instrument pentru separarea aluatului n diferite faze si ca aluatul sa poata fi descris ca un sistem bicontinuu , glutenul formeaz o faza i amidonul alta . Scopul acestui studiu este de a investiga posibilitatea utilizrii ultracentrifugarii laextragerea glutenului din aluat. Prin utilizarea acestei metode exista dezavantaje , cum ar fi spalatul n exces , uscarea i reconstituirea glutenului uscat ( care implica o a doua amestecare ) vor fi evitate . Probe de gluten au fost obtinute prin aceast metoda ( aluaturi diferite n continut de apa 42.6-47.1 %) si proprietti reologice de aluat si gluten corespunztoare au fost studiate n frecventa . Glutenul provenit din aluat dupaultracentrifugare a avut continuturi de ap in intervalul de 54.2-58.8 % . O crestere a continutului de apa a redus modulul de stocare la unul de mai mare msura decat modulul pierderii pentru aluatul studiat . Glutenul nu a fost afectat n aceeasi masura de o crestere a continutului de apa , asa cum a fost aluatul . Raporturile de G aluat/Ggluten i Galuat / Ggluten abordat au valoarea 1 n cazul n care cantitatea de apa a aluatului a crescut. Panta log G versus log pentru gluten (ngluten) a fost intotdeauna mai mare decat ngluten. Pentru aluat panta log G versus log (naluat) a fost pe acelasi nivel sau mai mare decat (naluat). Sa concluzionat ca atat dependenta de frecventa si valorile G i G au fost mai mult sau mai putin independente continutului de apa pentru gluten. Pe aluatul contrar a aratat o dependenta puternica de continut de apa, n special, pentru valoarea de G si dependenta de frecventa a G.1. IntroducereGlutenul de grau sau glutenul vital, este o proteina concentratapreparata din faina de grau de obicei, prin spalarea amidonuluidin aluat-apa-faina (MacRitchie, 1984). Glutenul de grau vital are beneficii evidente in cresterea rezistentei fainii slab utilizate n panificatie. De asemenea, joaca un important rol in imbunatatirea tolerantei aluatului la procesare si imbunatatind astfel calitatea produsului finit. Cand faina de grau este amestecata cu apa, cu doua feluri de proteine prezente glutenina si gliadina se combina pentru a forma o masa vascoelastica si anume gluten . Glutenul proaspat extras este o masa umeda si cleioasa , care poate fi uscata pentru a forma o pudra de culoare cafenie cu continut de 75-80% proteine . Glutenul este capabil sa formeze mase adezive si coezive toata esentiale pentru performanta la copt . Modul comun de a pregati glutenul din faina de grau este fie prin spalarea mainilor sau prin masini de spalat . Conform MacRitchie (1985) , utilizarea a 200 ml de apa la 100g faina si cinci spalari distincte pot da un gluten cu continut de proteine aproximativ 70%. Spalarile suplimentare vor produce un grad superior de gluten , de exemplu, cu un continut mai ridicat de proteine , dar acest lucru este un dezavantaj din cauza volumelor mari de apa care trebuie sa fie indepartate. Desi notele mai mari se obtin din fainurile degresate decat cele normale, de obicei este dificil de realizat un gluten cu continut de proteine mai mare de 80%(greutate uscata). Unele granule de amidon raman mereu si nu pot fi indepartate cu usurinta. Dupa spalarea glutenului , suspensiile apoase pot fi colectate si centrifugate pentru a produce solubilitate in apa si fractiuni de amidon. Toate fractiunile pot fi apoi liofilizate , o tehnica care a fost dovedita a fi cea mai valoroasa pentru pastrarea proprietatilor functionale ale fractiunilor. Janssen(1992) a preparat glutenul din faina folosind o scara mica Proces Batter (creat de Weegels, Marseille, Hamer , 1988) , care imita procedura de separare industriala si prin care o cantitate rezonabila de faina poate fi separata intr-un mod reproductibil. Un factor constient este faptul ca un gluten de inalta calitate poate fi grav deteriorat in timpul procedurii de izolare. Glutenul preparat prin teste de laborator prezinta intotdeauna o vitalitate mai buna decat gluten comercial din probe. Toate aceste metode de separare a glutenului se bazeaza pe manipularea aluat-apa-faina intr-un exces de apa pentru amidonul separat din gluten si la recuperarea prin rafinare si uscarea cu grija a fiecarei fractii. In timp un control precis este esential pentru producerea de gluten de calitate , uscarea este de asemenea un pas deosebit de important.Aluatul din faina de grau poate fi caracterizat ca un material vascoelastic , combinand proprietatile unui solid Hookean cu cele ale unui fluid vascos nenewtonian . Proprietatile reologice ale aluatului din faina de grau sunt in mare masura reglementate de contributia amidonului, proteinelor si apei. Micile deformari, oscilatorii, a masuratorii de forfecare au fost utilizate de mai multi ani in caracterizarea reologica nedistructiva fundamentala a aluatului din faina de grau . Magnitudinea dinamica G si G este puternic afectata de compozitia si prelucrarea aluatului . Studii reologice ale aluatului preparat din diferite cantitati de grau au aratat ca masuratorile dinamice sunt afectate de amidon-amidon , amidon-proteine si interactiunile proteina-proteina.Cunoasterea ambelor proprietati vascoase si elastice este necesara pentru controlul calitatii, pentru intelegerea proceselor cum ar fi de copt si extrudare si pentru elucidarea interactiunilor care au loc intre componentele pentru aluat. Glutenul este in mare parte responsabil pentru proprietatile vasco-elastice ale aluaturilor pe baza de faina si de asemenea proprietatile dinamice ale probelor de gluten deshidratate. Testarea dinamica de gluten si aluat a fost raportata de mai multi autori (Cumming &Tung, 1977; LeGrys, Booth, i Al-Baghdadi, 1981) . Un obstacol in efectuarea masuratorilor reologice pe gluten este pragatirea glutenului din aluat. Ultracentrifugarea a fost folosita ca un instrument pentru separarea aluatului din diferite faze , aluatul poate fi descris ca un sistem continuu, in cazul in care glutenul formeaza o faza , iar amidonul cealalta. Scopul acestui studiu este de a investiga posibilitatea de a utiliza centrifugarea pentru a extrage gluten din aluat. Probele de gluten au fost obtinute prin aceasta metoda (de la aluaturi care difera prin continutul de apa) si proprietatile reologice de aluat si gluten corespunzatoare au fost studiate frecvent.2. Materiale si metode2.1 FainaFaina de grau de calitate cu coacere medie (grau de iarna recoltat in 1999) a fost selectat pentru acest studiu. Faina a fost macinata intr-un Quadrumat Senior Mill la o rata de extractie de 65% . Analiza chimica a fainii a dat urmatoarea compozitie pe baza uscata (w/w) , proteine 8%, cenusa 0,41%, continut de apa 14,4%, continut de amidon 85,9% si amidon deteriorat 4,4%.2.2 Amestecarea aluatului Aluaturile din faina de grau au fost amestecate intr-un bol in farinograf . Faina(10 g ) a fost amestecata cu apa distilata pentru a da aluaturi cu continut de apa 39,5 , 42,6 , 44,5 , 45,5 , 46,5 si 47,1 % (w/w) . Amestecarea a fost realizata la 30C , 60 rpm , timp de 10 minute. S-a ales pentru a fi folosit un bine cunoscut mixer (farinograful Brabender) si un timp de amestecare fix , in timp ce continutul de apa a fost variat. Aceeasi abordare a fost folosita si de altii (de exmplu , Masi, Cavella si Sepe , 1998). Cel putin patru aluaturi s-au amestecat in fiecare continut de apa si utilizate pentru ultracentrifugare si teste reologice.2.3 Ultracentrifugarea aluatuluiProba de aluat a fost plasata intr-un tub de testare cu un diametru de 10 mm si o inaltime de 60 mm. Aluaturile au fost centrifugate imediat dupa amestecare . Aluturile sunt centrifugate timp de 1 ora la 100.000 g . Cand aluatul din faina de grau a fost supus centrifugarii se separa in maxim cinci fractiuni : lichid, gel, gluten, amidon si faza neseparata. Dupa centrifugarea aluatului,fazele lichidului si gelului au fost descarcate si faza gluten a fost atent scoasa cu alutorul unei spatule. Trebuie mentionat faptul ca aceasta este o etapa critica pentru pregatirea fazei gluten. Timpul petrecut de gluten in acest tratament este critic deoarece apa se evapora in timpul manipularii glutenului ultracentrifugat. Pentru a determina continutul de apa , faza gluten a fost uscata timp de 1 ora la 130C . Patru replici s-au facut pentru fiecare proba pentru uscare. Continutul de apa a glutenului a fost obtinut cu o variatie a coeficientului < 3,2%.2.4 Masuratori reologice dinamicePrin utilizarea masuratorilor oscilatorii deformarea se pastreaza atat de mica incat structura materialului nu este modificat ireversibil in timpul masurarii . Astfel . parametrii reologici furnizeaza informatii cu privire la structura materialului . In aceste teste un stres sinusoidal este aplicat pe o piesa de testare si rezultat; tulpina este masurata. G este definit ca elastic sau depozitarea si G este metionat ca vascoas sau pierderea modulului. Masuratorile dinamice oscilatorii au fost efectuate pe un reometru stres controlat (RTI RHEO-TechInternational Ltd, Lund, Suedia). Software-ul sau a fost utilizat pentru a calcula G si G. Toate masuratorile au fost efectuate la 25 C utilizand 15 mm diametru placa paralela cu geometrie , cu decalaj intre placi de 2 mm. Aluatul scos din castronul farinografului si pus intre placile reometrului. In cazul glutenului , faza glutenului proaspat preparat a fost indepartat din tub dupa ultracentrifugare si plasat in reometru. Pentru a preveni uscarea, un strat subtire de ulei de silicon a fost repartizat in aluat sau in suprafetele de gluten expuse la aer. Inainte de a incepe orice masuratori , proba ( aluat sau gluten ) , s-a odihnit pentru 30 de minute , pentru a permite relaxarea tensiunilor generate. Testele dinamice de frecventa ale aluaturilor si glutenilor au fost efectuate in regiunea liniara vascoelastica. O gama de frecventa de 0,1-10 Hz a fost aplicata. Valorile Gsi Gmasurate la 1Hz in frecventa de oscilatie au fost luate ca reprezentative pentru datele obtinute pentru o mai usoara comparatie a rezultatelor. Valoarea de stres a fost de 2,5 Pa. Regiunea lineara a fost variata pana la 6,5 Pa la cel mai mic continut de apa din aluat (42,6%). Tulpina aplicata a fost 0,001. Experimentele au fost efectuate de trei ori. Valorile raportate sunt mijloacele acestor determinari. Coeficientii de variatie a valorilor masurate au fost mai mici decat 15% pentru aluaturi si gluten.2.5 Calculul parametrilor de putere joasaIn prezent se studiaza puterea joasa a constantelor (pante) privind G` si G`` care au fost calculate folosind doua ecuatii unde G` si G`` reprezinta modulul acumularii si pierderea modulului , respectiv n`, n`` cu pantele corespunzatoare , w este frecventa si G`0 , G``0 sunt interceptarile puterii joase de frecventa.3. Rezultate si discutii3.1 Ultracentrifugarea aluatuluiIn timpul procesului de amestecare a aluatului . apa adaugata se distribuie in componentele fainii (pentozani, gluten, lipide, amidon), iar restul formeaza faza lichida. Proprietatile structurale ale acestor componente si capacitatea lor de legare a apei cuplata cu durata si intensitatea amestecarii va determina ce proprietati are painea si in final calitatea . Separarea lui Kosack pentru aluaturi de la 39,5 la 47,1 , continutul de apa va fi ilustrat in tabelul 1. Cantitatea de faza gluten va creste , deci continutul de apa al aluatului va creste . La un continut de apa ridicat separarea aluatului in lichid , gel , gluten , amidon si fazele neseparate a fost observata. La apa continutul de 39,5% aluat nu a fost separat. Volumul fazei lichide a crescut ca si continutul de apa al aluatului la 42,6-47,1% , timp ce volumul fazei de gel nu a fost afectat. Fractiunea amidonului va creste in cazul in care continutul de apa va creste si fractiunea de gluten pare sa creasca si ea. Aceasta tendinta a fost similara cu rezultatele anterioare privind cultivatorul Kosack.Cand continutul de apa a fost redus aluatul mai neseparat a fost gasit in partea de jos a tubului de testare. Volumul fazei gluten pentru sacul de faina Kosack a fost mai mic in studiul prezent(fig 1), decat volumul care a fost raportat mai devreme. Acest lucru se datoreaza cel mai probabil faptului ca continutul de proteine (8%) din faina utilizata in acest studiu 1999 a fost mai mic decat continutul de proteine ai fainii(11%) din 1995 utilizata in studiul anterior. Desi continutul de proteine din fainuri difera , continutul de apa al fazel gluten nu a parut afectat in mod semnificativ de anul producerii. In ambele studii continutul de apa al glutenului rezultat dupa ultracentrifugare a scazut atunci cand continutul de apa in aluat a crescut.3.2 Efectul continutul de apa asupra proprietatilor glutenului si aluatuluiTestarea reologica are avantajul masurarii parametrilor reologici care pot da indicatie asupra structurii materialului care trebuie masurat. Ar trebui remarcat faptul ca masuratorile au fost efectuate in prezenta glutenului prelevat din aluat corespunzator fara orice alt tratament inafara de ultracentrifugare. Efectul continutului de apa asupra proprietatilor reologice ale aluatului si glutenului au fost studiate corespunzator, iar G` si G`` in functie de continutul de apa prezent in aluat corespunzator glutenului proaspat.3.2.1 Efectul continutului de apa asupra proprietatilor reologice ale glutenuluiFigura 2 arata ca valorile G` si G`` pentru gluten au scazut usor , cu o crestere a continului de apa desi G`` nu a fost afectata in aceeasi masura ca G`. Datele au fost montate pe o relatie liniara pentru G` si G`` fata de continutul de apa . Glutenul cu cel mai mare continut de apa (58,8%) a condus la cea mai mica valoare pentru G` si glutenul cu cel mai mic continut de apa a dat cea mai mare valoare pentru G` asa cum se astepta. Rezultatele obtinute pentru faza gluten, recuperate prin ultracentrifugare confirma rezultatele obtinute in celelalte studii , in cazul in care esantioanele glutenului au fost supus la diferite grade de manipulare. In aceste studii s-a constatat ca G` a scazut in apa , dar a crescut fata de continutul de gluten. Rezultatele din lucrarea prezenta pot fi comparate cu rezultatele din alte lucrari, cu diferite metode de preparare a glutenului. Rezultatele de fata sunt similare cu rezultatele Smith, Smith si Tschoegl(1970) desi au folosit gluten comercial. Se pare ca ultracentrifugarea pentru aluat nu schimba proprietatile reologice ale glutenului. Desi au fost folosite in diferite studii , diferite tipuri de fainuri de grau si calitati ale glutenului diferite este posibil sa se traga unele concluzii atunci cand se compara studiile. O scadere in G` si G`` cu cresterea apei in continutul de gluten a fost observata in cele mai multe studii. Se pare ca prin procedeul de ultracentrifugare este posibil sa se produca gluten cu proprietati reologice similare , comportament care poate fi produs prin alte metode (spalarea mainilor). O alta metoda de preparare a glutenului este in faina cu apa si apoi centrifugare. In acest caz ultracentrifugarea ofera un avantaj, asa cum sparam si de la studiul glutenului proaspat, amestecat in aceleasi conditii ca aluatul corespunzator. Glutenul este produs prin aceasta metoda fara rehidratare si amestecarea pudrei uscate.3.2.2 Efectul continutului de apa asupra proprietatilor reologice ale aluatuluiFig.2 arata ca valorile G` si G`` pentru aluat au scazut pe masura ce continutul de apa a crescut 42,6-47,1(w/w). Datele au fost montate pe o relatie liniara pentru G` si G`` fata de continutul de apa. Tendinta ca valorile G` si G`` au scazut in continutul de apa in aluat a fost aprobata in studiile anterioare. Valorile G` si G`` pentru Kosack nu au variat 5-12,2 kPa si respectiv de la 4,2-2,15 kPa. Valorile din aceasta lucrare au fost in acelasi interval ca si valorile din lucrarile mentionate anterior. Soiurile de grau difera in aceste studii. Continutul de apa al aluaturilor nu acopera aceeasi gama. Pentru aluaturi s-a adaugat rezultate complexe din distributia necunoscuta a apei intr fazele glutenului si amidonului si posibila prezenta a apei libere.3.3 O comparatie a proprietatilor reologice ale aluatului si glutenuluiContinutul de apa al glutenului (provenit de la aluat prin ultracentrifugare)a fost mai mare decat cea a aluatului in gama continutului de apa studiat. Cand continutul de apa din aluat a crescut 42,6-47,1%, continutul de apa din gluten provenit de la aluat dupa ultracentrifugare a fost in intervalul 54,2-58,8. G` a fost mai mare decat G`` atat pentru aluat si gluten , independent fata de continutul de apa. Pentru studiul aluatului si glutenului gama continutului de apa variaza intr 4,6-4,5. In concluzie atat G` si G`` au fost sensibile la continutul de apa in aluat fata de gluten . Se observa ca atat G` si G`` pentru aluat abordeaza valorile G` si G`` pentru gluten , atunci cand continutul de apa a crescut. Asta inseamna ca la un aluat cu continutul de apa 47,1% se observa aceleasi valori pentru aluat si gluten care au continutul de apa de 54,2%.3.4 Legea puterii constantelor pentru aluat si glutenFrecventa valorilor G` si G`` a fost determinata atat pentru aluat cat si pentru gluten la 25C. Magnitudinea pantei log G` impotriva log ofera informatii utile despre structura de biopolimer. Gelurile pot fi caracterizate ca geluri adevarate, atunci cand log G` fata de log sau G`` fata de log da pante aproape de zero, in timp ce pentru geluri slabe si solutii extrem de concentrate au pante pozitive. In lucrarea de fata G` a fost mai mare decat G`` pentru aluat cat si pentru gluten la toate continuturile de apa. Fig. 3 ofera valori ale pantelor , calculate in raport cu frecventa. Regresie liniara de log G` si log G`` fata de log a aratat ca valorile rezultate pentru n` si n``atat pentru aluat cat si pentru gluten au fost reduce pentru toata apa continuta , indicand existenta unei retele 3D. Cu toate acestea retelele au aratat a avea diferite raspunsuri la apa. Valorile n` pentru aluat au variat intre 0,20-0,29 deoarece continutul de apa a crescut. Pe de alta parte valoarea n` pentru gluten a fost independenta fata de continutul de apa si la acelasi nivel cu continutul de apa la aluat. Cresterea valorii n`a fost observata si s-a consideratat ca indica o fractiune tot mai mare de materiale. Mai mult decat atat, panta G`` fata de log pentru aluat a fost la acelasi nivel sau mai mare decat n`aluat. Pentru gluten panta de log G`` fata de log a fost intotdeauna mai mare decat valoarea n` pentru gluten . Aceasta indica faptul ca G`` a crescut mai repede decat G` in frecventa maturarii.Astfel , spectrele de frecventa la gluten corespund regiunii de tranzitie, in timp ce spectrul de frecvente pentru aluat corespunde regiunii. O frecventa mai mare depinde de G`` comparat cu G` a fost raportat, de asemenea, pentru gluten vital comercial in studiul Redl, Morel, Bonicel, Guilbert. Cu toate acestea, valorile pantei au fost usor mai mari )n``=0,4 si n`=0,33) decat cele raportate pentru glutenul proaspat recuperat prin ultracentrifugare.In precedenta au fost gasiti aceeasi parametrii ai legii puterii ca in studiul anterior. Dependenta de frecventa s-a raportat pentru graul alb moale de iarna si un grau rosu tare de toamna la continutul de apa din aluat de 43% in cazul in care n`=0,28 si n``=0,27 si respectiv n`=0,23 si n``=0,22. In studiile anterioare de Bohlin si Carlson (1980) si de catre Le Grys (1981) dependenta similara pentru G` a fost raportata pentru aluat. Studiul de asemenea confirma dependenta de frecventa tot mai mare pentru G` la continutul de apa din aluat superior, care a fost observat pentru unele dintre fainurile studiate si raportate in activitatea Navickis. Observatia lui Navickis a fost in contradictie cu studiul anterior realizat de catre Hibberd in cazul in care frecventa fainii de grau a fost gasita neafectata de continutul de apa din aluat. Mai mult decat atat, o crestere a n` si o crestere a continutului de proteine a fost raportata de Smith (1970). 3.5 Factorii de interschimbare pentru aluat si glutenS-a facut o incercare de a obtine o curba unica pentru aluat si gluten. Un avantaj al metodei este gama de frecvente ce se extind dincolo de cele experimentale. Schimbarea factorilor poate fi folosita pentru a schimba frecventa matura asupra axa x, astfel incat comportamentul la frecvente joase si inalte sa poata fi studiat. Conform fig.4 si 5, suprapunerea functioneaza bine pentru modulul de stocare aluat si gluten, dar nu ofera o potrivire satisfacatoare pentru pierderea modulului de aluat sau gluten. Conform Ferry (1980), suprapunerea poate fi teoretic aplicata atat pentru materiale simple cat si pentru complexe. Suprapunerea de concentrare a fost ilustrata de masuratori in regiunea de tranzitie. Totusi, nu este evident faptul ca metoda este aplicata cu succes in regiunea terminala (Ferry, 1980). Defectarea suprapunerii poate indica modificari fizico-chimice in materialul studiat (Redl et al., 1999). Astfel, suprapunerea de succes pentru aluat si gluten inseamna ca procesele moleculare similare au loc la diferite continuturi de apa si la frecvente diferite dupa cum a sugerat Lopez da Silva, Goncalves si Rao (1994). Factorii de schimbare pentru suprapunere, in fig. 4 si 5 sunt prezentati in functie de continutul de apa in fig. 6. Este indicata o dependenta exponentiala a continutul de apa pentru factorii de schimbare, care sunt mai puternici pentru aluat decat pentru gluten (fig.6). Acest lucru poate indica ca efectul de diluare cu apa este mai puternic pentru aluat decat fara gluten. Fu, Mulvaney& Cohen (1997), a aratat acelasi efect pentru adaugare la diferite niveluri de grasime.4. Concluzii Utilizarea ultracentrifugarii ca o metoda pentru prepararea glutenului pentru continuarea studiile reologice a fost demonstrata. Dezavantajele acestei metode sunt spalarea inexces, uscarea si reconstituirea de gluten uscat (care implica o a doua amestecare) au fost evitate. Cantitatea de apa in aluat afecteaza continutul de apa din gluten pentru prepararea aluatului si prin urmare raspunsul sau reologic. Toate aluaturile si glutenurile s-au comportat ca materiale vascoelastice la toate continuturile de apa investigate. O crestere a continutului de apa a redus modulul de stocare intr-o masura mai mare decat pierderea modulului. Glutenul a fost moderat afectat de o crestere a continutului de apa. Similar diferite raspunsuri la o crestere a continutului de apa au fost observate pentru dependenta de fecventa a aluatului (n aluat si naluat) si gluten (n gluten si n gluten). Un efect puternic de crestere a continutului de apa a fost observat pentru aluat n, in timp ce n aluat , n gluten si n gluten au fost afectate. Dependenta de fecventa G pentru aluat (naluat) a fost la acelasi nivel sau mai mica decat n gluten, unde n gluten a fost intotdeauna mai mare decat n gluten. Acest lucru indica faptul ca spectrul de frecventa de gluten reprezinta zona de tranzitie, intrucat din spectrul de frecventa a aluatului apartine de regiunea de platou. Se poate concluziona ca fara gluten nu ar putea fi diluat pentru a influenta comportamentul reologic in gama continutului de apa investigat. Pe de alta parte, o dilutie de aluat de faina de grau, evident, a avut un efect asupra parametrilor reologici investigati.