Удосконалення технології хлібобулочних виробів з використанням продуктів переробки насіння конопель

Abstract

Дисертаційна робота присвячена використанню продуктів переробки насіння конопель у хлібопекарському виробництві з метою розширення асортименту хлібобулочних виробів з підвищеною харчовою та біологічною цінністю. Відзначено, що за показниками хімічного складу продукти переробки насіння конопель, а саме, борошно конопляне, протеїн конопляний, ядра насіння конопель та висівки конопляні переважають борошно пшеничне першого сорту. Дослідження показали, що продукти переробки насіння конопель містять значно більше білка, ніж пшеничне борошно першого сорту: у 4,8 рази більше в конопляному протеїні, у 3,4 рази – в конопляному борошні, у 2,5 рази – в ядрах та у 2,1 рази – у висівках. Вміст жиру в цих продуктах, який вирізняється різноманітним жирнокислотним складом, перевищує пшеничне борошно у 4,9–30 разів. Водночас вміст вуглеводів у конопляній сировині нижчий і характеризується мінімальною кількістю крохмалю і підвищеною кількістю харчових волокон. Аналіз білкового складу показав суттєві відмінності між пшеничним борошном і продуктами переробки насіння конопель. У пшеничному борошні переважають глютеліни (58,6%), що забезпечують еластичність тіста. У конопляних продуктах домінують глобуліни (39,8–61,7%) і альбуміни (26,1–32,1%), які краще засвоюються, містять усі незамінні амінокислоти та мають високу біологічну цінність. Аналіз амінокислотного складу показав, що продукти переробки насіння конопель значно перевершують пшеничне борошно першого сорту за вмістом незамінних амінокислот, таких як лейцин, лізин, метіонін, треонін, фенілаланін і триптофан. Особливо високий рівень триптофану та лізину робить конопляні продукти цінним джерелом білка. Розрахунок амінокислотного скору підтвердив їхню вищу біологічну цінність, що дозволяє використовувати їх для підвищення харчової цінності хлібобулочних виробів. Жирнокислотний склад продуктів переробки насіння конопель має оптимальне співвідношення ω-3 та ω-6 (1:3,4 – 1:3,9), що є наближеним до ідеального (1:3 – 1:5) та сприяє зниженню ризику серцево-судинних захворювань. На відміну від пшеничного борошна першого сорту, конопляні продукти містять більше ω-3. Продукти переробки насіння конопель мають значно вищий вміст мінеральних речовин, по відношенню до пшеничного борошна. Зокрема, магнію в 22,1–75,5 рази більше, калію — в 8,6–11,9 разів, кальцію — в 3,3– 82,7 рази, цинку — в 6,1–11,6 рази. Гранулометричний склад конопляного протеїну, конопляного борошна та пшеничного борошна першого сорту суттєво відрізняється. Найдрібніші частинки характерні для конопляного протеїну (до 700 мкм), тоді як у конопляному борошні вони можуть досягати 2500 мкм. Доведено, що для максимально ефективного збагачення хліба компонентами продуктів переробки насіння конопель, рекомендовано замінити борошно пшеничне на 10% борошном конопляним або на 15% протеїном конопляним та його сумісним використанням з 5% висівок конопляних або 7% ядер насіння конопель, за умови впровадження технологічних рішень для збереження звичних споживчих характеристик готових виробів. Досліджено, що оптимальним режимом замішування тіста для хліба з продуктами переробки насіння конопель є 5 хвилин на першій швидкості та 15 хвилин на другій. Це забезпечує кращий питомий об’єм (до 2,75 см³/г), високу формостійкість (0,62–0,57) та покращену структуру м’якушки. Подовження замішування на другій швидкості сприяє рівномірній пористості, еластичності та рівномірному розподілу ядер у тісті. Готові вироби мають правильну форму, гладку поверхню без тріщин та приємний смак із легким трав’янистим відтінком. Встановлено, що використання продуктів переробки насіння конопель у хлібопеченні змінює структурно-механічні властивості тіста та якість клейковини. Дослідження показали зниження її кількості на 4,6–6,7% і гідратаційної здатності на 21–40% через відсутність білків, здатних до утворення глютену, та високий вміст харчових волокон. Еластичність і розтяжність погіршились, пружність клейковини зросла на 18,4–26,5%. Внесення продуктів переробки насіння конопель суттєво змінює реологічні властивості тіста, підвищуючи його в’язкість і здатність протистояти деформаціям. Це зумовлено високою водопоглинальною здатністю харчових волокон конопляних продуктів та відсутністю клейковинних білків, що впливає на білково-крохмальну матрицю тіста. Дослідження показали, що найбільше напруження зсуву спостерігається у зразках із заміною 15% пшеничного борошна на конопляний протеїн із додатковим внесенням 7% ядер. Дослідження тіста за допомогою пенетрометра з додаванням продуктів переробки насіння конопель показали підвищення умовно граничної напруги зсуву на 33,3–60 %, що свідчить про збільшення його механічного опору та в’язкості. Таким чином, додавання конопляних продуктів підвищує структурну міцність тіста, що може впливати на технологічні властивості готових виробів. Аналіз фаринограм та альвеограм досліджуваних зразків тіста підтведжує, що додавання конопляного борошна та протеїну змінює реологічні властивості тіста. Водопоглинальна здатність зменшилася лише на 2,7–3,8%, а стабільність тіста скоротилася на 1,5–6 хвилин. Найменше розрідження спостерігалося у зразку з 10% конопляного борошна, тоді як заміна 15% пшеничного борошна на конопляний протеїн призвела до збільшення розрідження на 17,6%. Це пов’язано зі структурними особливостями білків коноплі, які змінюють клейковинний каркас тіста. Зразок із 10% конопляного борошна демонстрував найвищу пружність, всі зразки з конопляними компонентами мали меншу розтяжність на 67,6% порівняно з контрольним. Індекс розтяжності залишався стабільним, а сила борошна зменшувалася – на 70 о.а. при 10% заміни та на 104 о.а. при 15% заміни пшеничного борошна на конопляний протеїн. Отже, конопляні продукти знижують еластичність і пружність тіста, змінюючи його технологічні властивості. Додавання продуктів переробки насіння конопель призводить до зниження питомого об'єму тіста на 7,7–11,5% через відсутність клейковинних білків, що впливає на формування клейковинного каркасу. Це спричиняє зменшення газоутримувальної здатності та погіршення структурної цілісності тіста, що важливо враховувати при технологічній розробці продуктів. Доведено, що використання продуктів переробки насіння конопель знижує газоутворювальну здатність тіста на 0,9–6,6% через відсутність крохмалю, який є джерелом мальтози. Це обмежує утворення діоксиду вуглецю, що впливає на розпушення тіста. Харчові волокна та жири конопляних продуктів також зменшують газоутримувальну здатність. Другий пік газоутворення в дослідних зразках настає на 120-й хвилині, що на 30 хвилин раніше, ніж у контрольному зразку. Відзначено, що зразки тіста з продуктами переробки насіння конопель містять менше цукрів через відсутність крохмалю, який є джерелом мальтози, та знижену активність амілаз. Харчові волокна конопляних продуктів поглинають воду, перешкоджаючи розщепленню крохмалю. Це обмежує утворення цукрів і впливає на процеси бродіння. Дослідження показали, що додавання продуктів переробки насіння конопель впливає на процес черствіння хліба. Зразки з конопляним протеїном, ядрами та висівками краще зберігали свіжість: через 24 години – на 7–12%, а через 48 годин – на 2–10% більше, ніж контрольний зразок. Це пояснюється високим вмістом клітковини та жирів, що сприяють утриманню вологи. Однак, використання конопляного борошна показало дещо гірші результати, сприяючи підвищення крихкості м’якушки та втраті вологості. Крихкуватість була вищою у зразках з ядрами та висівками через слабкий зв’язок цих компонентів із клейковинним каркасом. Дослідження за допомогою гравіметричного методу показали, що втрата зв’язаної вологи була меншою на 0,1–0,7%, а вільної – на 1,6–1,9% у зразках з протеїном, ядрами та висівками. Це свідчить про краще утримання вологи, що уповільнює черствіння хліба. Дослідження показали, що додавання продуктів переробки насіння конопель покращує харчову цінність хліба. Вміст білків та жирів у таких зразках збільшується на 19,0–65,7% і 17,4–84,6% відповідно, тоді як вуглеводів менше на 9,3–11,3% порівняно з контрольним. Енергетична цінність хліба з конопляним протеїном, ядрами та висівками вища на 1,4–9,4%, з конопляним борошном – нижча на 2,7%. Вміст харчових волокон зростає на 41,9–75,5%. Хліб з конопляними компонентами містить більше незамінних амінокислот: лізину на 37,8–86,2%, метіоніну + цистеїну на 16,6–36,3%, фенілаланіну + тирозину на 16,5–38,8%. Вміст ω-3 зріс у 1,7–3,8 рази, ω-6 – у 1,2–1,9 рази. Забезпечення добової потреби в білках зростає на 7,2–23,1%, у харчових волокнах – на 4,4–18,0%, в незамінних амінокислотах – до 54,2%. Значно збільшується вміст магнію (у 3,1–7,7 рази) та кальцію (у 2,0–6,4 рази), що підвищує біологічну цінність виробу. На основі проведених досліджень були розроблені рецептури та технологічні інструкції для нових видів хліба: хліб «Висівковий конопляний», «Глухівський конопляний», «Конопляний мікс» та «Коноплянка» з використанням продуктів переробки насіння конопель. The dissertation is devoted to the use of hemp seed processing products on bakery production to expand the range of bakery products with increased nutritional and biological value. It was noted that according to the chemical composition of hemp seed processing products, namely hemp flour, hemp protein, hemp seed kernels, and hemp bran, they surpass first-grade wheat flour. It was established that hemp products have a higher fat content, with a fatty acid composition, particularly polyunsaturated omega-3 and omega-6 fatty acids, close to the ideal ratio. They also contain a higher amount of minerals, dietary fiber, and a complete protein composition in terms of amino acid content. It has been proven that for maximum effective enrichment of bread with components of hemp seed processing products, it is recommended to replace wheat flour with 10% hemp flour or 15% hemp protein, with the possible additional inclusion of 5% hemp bran or 7% hemp seed kernels, provided that technological solutions are implemented to maintain the usual consumer characteristics of finished products. Research has shown that hemp seed processing products contain significantly more protein than first-grade wheat flour: 4.8 times more in hemp protein, times more in hemp flour, 2.5 times more in hemp seed kernels, and 2.1 times more in hemp bran. The fat content in these products, distinguished by a diverse fatty acid composition, exceeds wheat flour by 4.9–30 times. At the same time, the carbohydrate content in hemp raw materials is lower, but its composition is more balanced due to the combination of starch, mono- and disaccharides, and dietary fiber. An analysis of protein composition revealed significant differences between wheat flour and hemp seed processing products. Wheat flour is dominated by glutenins (58.6%), which provide dough elasticity but may cause issues for people with gluten intolerance. In hemp products, globulins (39.8–61.7%) and albumins (26.1–32.1%) dominate, which are more easily digestible, contain all essential amino acids, and have high biological value. An analysis of the amino acid composition showed that hemp seed processing products significantly exceed first-grade wheat flour in terms of essential amino acids, such as leucine, lysine, methionine, threonine, phenylalanine, and tryptophan. The particularly high levels of tryptophan and lysine make hemp products a valuable protein source. The calculation of the amino acid score confirmed their higher biological value, allowing them to be used to enhance the nutritional quality of bakery products. The fatty acid composition of hemp seed processing products has an optimal omega-3 to omega-6 ratio (1:3.4 – 1:3.9), which is close to the ideal (1:3 – 1:5) and helps reduce the risk of cardiovascular diseases. Unlike first-grade wheat flour, hemp products contain more omega-3 and undergo minimal refining, ensuring a high content of micro- and macroelements, thereby increasing their nutritional value. Hemp seed processing products have significantly higher mineral content compared to wheat flour. Specifically, magnesium is 22.1–75.5 times higher, potassium 8.6–11.9 times higher, calcium 3.3–82.7 times higher, and zinc 6.1–11.6 times higher. The granulometric composition of hemp protein, hemp flour, and first-grade wheat flour differs significantly. The finest particles are characteristic of hemp protein (up to 700 µm), while in hemp flour, they can reach 2500 µm. Wheat flour has an average particle size of 74 µm, which is smaller than hemp flour but larger than hemp protein. It has been established that the optimal dough mixing mode for bread with hemp seed processing products is 5 minutes at the first speed and 15 minutes at the second. This ensures better specific volume (up to 2.75 cm³/g), high shape stability (0.62–0.57), and improved crumb structure. Extending mixing at the second speed promotes uniform porosity, elasticity, and even distribution of kernels in the dough. The finished products have the correct shape, smooth surface without cracks, and a pleasant taste with a slight herbal note. It has been established that the use of hemp seed processing products in baking changes the structural and mechanical properties of the dough and the quality of gluten. Studies have shown a decrease in gluten content by 4.6–6.7% and hydration capacity by 21–40% due to the absence of proteins capable of forming gluten and the high dietary fiber content. Elasticity and extensibility deteriorated, while gluten resilience increased by 18.4–26.5%, which is associated with the replacement of wheat proteins with fiber. The addition of hemp seed processing products significantly alters the rheological properties of the dough, increasing its viscosity and resistance to deformation. This is due to the high water-absorbing capacity of hemp products' dietary fiber and the absence of gluten proteins, affecting the dough's protein- starch matrix. Studies have shown that the highest shear stress is observed in samples where 15% of wheat flour is replaced with hemp protein with an additional 7% hemp seed kernel. Dough penetration studies with the addition of hemp seed processing products showed an increase in the conditional ultimate shear stress by 33.3–60%, indicating increased mechanical resistance and viscosity. Thus, adding hemp products enhances the dough's structural strength, which may affect the technological properties of finished products. Farinogram and alveogram studies showed that the addition of hemp flour and protein changes the dough's rheological properties. Water absorption capacity decreased only by 2.7–3.8%, while dough stability was reduced by 1.5–6 minutes. The least liquefaction was observed in the sample with 10% hemp flour, while replacing 15% of wheat flour with hemp protein led to a 17.6% increase in liquefaction. A sample with 10% hemp flour demonstrated the highest resilience, but all samples with hemp components had 67.6% less extensibility compared to the control. The stretch index remained stable, while flour strength decreased by 70 units at 10% replacement and by 104 units at 15% replacement with hemp protein. Thus, hemp products reduce dough elasticity and resilience, altering its technological properties. The addition of hemp seed processing products results in a decrease in specific dough volume by 7.7–11.5% due to the absence of gluten-forming proteins, which affects gluten network formation. This reduces gas retention ability and weakens dough structural integrity, which is important for technological product development. It has been proven that the use of hemp seed processing products reduces the dough's gas-producing ability by 0.9–6.6% due to the absence of starch, which is a maltose source for fermentation. Research has shown that the addition of hemp seed processing products affects bread staling. Samples with hemp protein, kernels, and bran retained freshness better: after 24 hours – 7–12% more, and after 48 hours – 2–10% more than the control. Based on the conducted research, formulations and technological instructions for new types of bread have been developed: "Hemp Bran Bread," "Hlukhiv Hemp Bread," "Hemp Mix," and "Konoplyanka", using hemp seed processing products. The introduction of these products will contribute to the expansion of the range of bakery products with increased nutritional and biological value.