Модификация углеводов сельскохозяйственного сырья в процессе термопластической экструзии (обзор)

Экструзия все чаще рассматривается не просто как эффективная технология переработки сельскохозяйственного сырья в корма и продукты питания ограниченной номенклатуры, но и как гидротермомеханический способ глубокой модификации свойств биополимеров. Углеводы являются самым представленным классом органических соединений в перерабатываемом агропромышленным комплексом сырье. Поэтому оценка влияния фактора переработки на конечные физико-химические и технологические свойства различных видов углеводов, входящих в химический состав сырья, либо использующихся в качестве моноингредиентов, является актуальной задачей для пищевой промышленности. В обзоре рассмотрены вопросы экструзионной модификации крахмала в аспекте различия свойств его основных биополимеров амилозы и амилопектина, а также наличия в реакционной системе липидов и органических кислот. Показано, что в зависимости от условий экструзии и состава смесей происходят процессы деградации макромолекул крахмала, клейстеризации, этерификации и образования новых химических связей. Представлены результаты исследований по воздействию экструзии на изменение физикохимических свойств некрахмальных полисахаридов, целлюлозы, арабоксиланов, инулина, пектина, хитозана, камедей различного происхождения. Показано, что экструзия и варьирование ее режимов способны значимо влиять на пищевую ценность экструдатов, в том числе изменять гликемический индекс, инактивировать антипитательные факторы или повышать их содержание в готовой продукции.

1. Gomez M. H., Aguilera J. M. A physicochemical model for extrusion of corn starch. Journal of Food Science. 1984;49(1):40-43. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1984.tb13664.x

2. Obuchowski W., Chalcarz A., Paschke H. The effect of raw material composition on a soluble substances content as well as the direction and extend of changes in saccharides during extrusion process. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities. Series Food Science and Technology. 2007;10(1):17. URL: http://www.ejpau.media.pl/volume10/issue1/art-17.html

3. Colonna P., Tayeb J., Mercier C. Extrusion cooking of starch and starchy products. In Extrusion Cooking, 2TH edition. USA. American Association of Cereal Chemists, 1998. 472 p. URL: https://www.amazon.com/Extrusion-Cooking-C-Mercier/dp/0913250678

4. Jackson D. S., Gomez M. H., Waniska R. D., Rooney L. W. Effects of single-screw extrusion cooking on starch as measured by aqueous high-performance size-exclusion chromatography. Cereal chemistry. 1990;67(6):529-532. URL: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1990/Documents/67_529.pdf

5. Butrim S. M., Litvyak V. V., Moskva V. V. A study of physicochemical properties of extruded starches of varied biological origin. Russian Journal of Applied Chemistry. 2009;82(7):1195-1199. DOI: https://doi.org/10.1134/S1070427209070076

6. Linko P., Colonna P., Mercier C. High temperature, short time extrusion cooking. Advances in Cereal Science and Technology. 1981;4:145-235.

7. Cheftel J. C. Nutritional effects of extrusion cooking. Food Chemistry. 1986;20(4):263-283. DOI: https://doi.org/10.1016/0308-8146(86)90096-8

8. Liu W-C., Halley P. J., Gilbert R. G. Mechanism of degradation of starch, a highly branched polymer, during extrusion. Macromolecules. 2010;43(6):2855-2864. DOI: https://doi.org/10.1021/ma100067x

9. Tang J., Ding X.-L. Relationship between functional properties and macromolecular modifications of extruded corn starch. Cereal Chemistry.1994;71(4):364-369. URL: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1994/Documents/71_364.pdf

10. Thuwall M., Boldizar А., Rigdahl М. Extrusion processing of high amylose potato starch materials. Carbohydrate Polymers. 2006;65(4):441-446. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.01.033

11. Shrestha A. K., Ng C. S., Lopez-Rubio А., Blazek J., Gilbert E. P., Gidley M. J. Enzyme resistance and structural organization in extruded high amylose maize starch. Carbohydrate Polymers. 2010;80(3):699-710. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.12.001

12. Cervantes-Ramírez J. E., Cabrera-Ramirez A. H., Morales-Sánchez E., Rodriguez-García M. E., ReyesVega М. L., Ramírez-Jiménezd A. K., Contreras-Jiménez B. L., Gaytán-Martínez М. Amylose-lipid complex formation from extruded maize starch mixed with fatty acids. Carbohydrate Polymers. 2020;246:116555. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116555

13. Cabrera-Ramirez A. H., Cervantes-Ramirez E., Morales-Sanchez E., Rodriguez-Garcia M. E., ReyesVega M. de la L., Gaytan-Martinez M. Effect of Extrusion on the Crystalline Structure of Starch during RS5 Formation. Polysaccharides 2021;2(1):187-201. DOI: https://doi.org/10.3390/polysaccharides2010013

14. Burey P., Bhandari B. R., Rutgers R. P. G., Halley P. J., Torley P. J. Confectionery Gels: A Review on Formulation, Rheological and Structural Aspects. International Journal of Food Properties. 2009;12(1):176-210. DOI: https://doi.org/10.1080/10942910802223404

15. Beleia A., Miller R. A., Hoseney R. C. Starch Gelatinization in Sugar Solutions. Starch–Starke. 1996;48(7-8):259-262. DOI: https://doi.org/10.1002/star.19960480705

16. Matthey F. P., Hanna M. A. Physical and functional properties of twin-screw extruded whey protein concentrate-corn starch blends. Lebensmittel Wissenschaft und Technologie. 1997;30(4):359-366. DOI: https://doi.org/10.1006/fstl.1996.0189

17. Allen K., Carpenter C. E., Walsh M. K. Influence of protein level and starch type on an extruson-expanded whey product. International Journal of Food Science Technology. 2007;42(8):953-960. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2006.01316.x

18. Chen B., Chen Yu., Junfei L., Yuling Y., Xinchun Sh., Shaowei L., Xiaozhi T. Physical properties and chemical forces of extruded corn starch fortified with soy protein isolate. International Journal of Food Science & Technology. 2017;52(12):2604-2613. DOI: https://doi.org/10.1111/ijfs.13547

19. Ačkar Đ., Babić J., Jozinović A., Miličević B., Jokić S., Miličević R., Rajič M., Šubarić D. Starch Modification by Organic Acids and Their Derivatives: A Review. Molecules. 2015;20(10):19554-19570. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules201019554

20. Соломина Л. С., Соломин Д. А. Технологические аспекты получения и свойства пшеничного крахмалоцитрата. Пищевая промышленность. 2021;(4):50-54. DOI: https://doi.org/10.24412/0235-2486-2021-4-0041

21. Neder-Suárez D., Amaya-Guerra C. A., Pérez-Carrillo E., Quintero-Ramos A., Mendez-Zamora G., Sánchez-Madrigal M. Á., Barba-Dávila B. A., Lardizábal-Gutiérrez D. Optimization of an Extrusion Cooking Process to Increase Formation of Resistant Starch from Corn Starch with Addition of Citric Acid. Starch-Stärke. 2020;72(3-4):1-2. DOI: https://doi.org/10.1002/star.201900150

22. Шариков А. Ю., Степанов В. И., Иванов В. В. Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019;9(3):447-460. DOI: https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460

23. Brennan M. A., Derbyshire E., Tiwari B. K., Brennan C. S. Ready‐to‐eat snack products: the role of extrusion technology in developing consumer acceptable and nutritious snacks. International Journal of Food Science & Technology. 2013;48(5):893-902. DOI: https://doi.org/10.1111/ijfs.12055

24. Onwulata C. I., Thomas A. E., Cooke P. H., Phillips J. G., Carvalho C. W. P., Ascheri J. L. R., Tomasula P. M. Glycemic Potential of Extruded Barley, Cassava, Corn, and Quinoa Enriched With Whey Proteins and Cashew Pulp. International Journal of Food Properties. 2010;13(2):338-359. DOI: https://doi.org/10.1080/10942910802398487

25. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации: методические рекомендации. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. 36 с. Режим доступа: https://www.rospotrebnadzor.ru/documents/details.php?ELEMENT_ID=4583

26. Qiao H., Shao H., Zheng X., Liu J., Liu J., Huang J., Zhang C., Liu Zh., Wang J., Guan W. Modification of sweet potato (Ipomoea batatas Lam.) residues soluble dietary fiber following twin-screw extrusion. Food Chemistry. 2021;335:127522. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.127522

27. Robin F., Schuchmann H. P., Palzer S. Dietary fiber in extruded cereals: Limitations and opportunities. Trends in Food Science & Technology. 2012;28(1):23-32. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.06.008

28. Björck I., Nyman M., Asp N. G. Extrusion cooking and dietary fiber: effects on dietary fiber content and on degradation in the rat intestinal tract. Cereal Chemistry. 1984;61(2):174-179. URL: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1984/Documents/Chem61_174.pdf

29. Wang W.-M., Klopfenstein C. F., Ponte J. G. Effects of twin-screw extrusion on the physical properties of dietary fiber and other components of whole wheat and wheat bran on the baking quality of the wheat bran. Cereal Chem. 1993;70(6):707-711. URL: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1993/Documents/70_707.pdf

30. Zhang Y., Li H., Li X., Gibril М. Е., Yu М. Chemical modification of cellulose by in situ reactive extrusion in ionic liquid. Carbohydrate Polymers. 2014;99:126-131. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.07.084

31. Lin Q., Huang Y., Yu W. An in-depth study of molecular and supramolecular structures of bamboo cellulose upon heat treatment. Carbohydrate Polymers. 2020;241:116412. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116412

32. Nessi V., Falourd X., Maigret J.-E., Cahier K., D’Orlando A., Descamps N., Gaucher V., Chevigny Ch., Lourdin D. Cellulose nanocrystals-starch nanocomposites produced by extrusion: Structure and behavior in physiological conditions. Carbohydrate Polymers. 2019;225:115123. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.115123

33. Ralet M.-C., Thibault J.-F, Della Valle G. Solubilisation of sugar-beet cell wall polysaccharides by extrusion-cooking. Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie. 1991;24(2):107-112. URL: https://www.researchgate.net/publication/232091823_Solubilisation_of_sugarbeet_cell_wall_polysaccharides_by_extrusion-cooking

34. Hwang J. K., Kim C. J., Kim Ch. T. Extrusion of Apple Pomace Facilitates Pectin Extraction. Journal of Food Science. 1998;63(5):841-844. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1998.tb17911.x

35. Shoaib M., Shehzad A., Omar M., Rakha A., Raza H., Sharif H. R., Shakeel A., Ansari A., Niazi S. Inulin: Properties, health benefits and food applications. Carbohydrate Polymers. 2016;147:444-454. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.04.020

36. Peressini D., Foschia M., Tubaro F., Sensidoni A. Impact of soluble dietary fibre on the characteristics of extruded snacks. Food Hydrocolloids. 2015;43:73-81. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.04.036

37. Sereno N. M., Hill S. E., Mitchell J. R. Impact of the extrusion process on xanthan gum behavior. Carbohydrate Research. 2007;342(10):1333-1342. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carres.2007.03.023

38. Li R., Jia X., Wang Y., Li Y., Cheng Y. The effects of extrusion processing on rheological and physicochemical properties of sesbania gum. Food Hydrocolloids. 2019;90:35-40. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.11.048

39. Chang Y. H., Cui S. W., Roberts K. T., Ng P. K. W., Wang Q. Evaluation of extrusion-modified fenugreek gum. Food Hydrocolloids. 2011;25(5):1296-1301. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2010.12.003

40. Duan B., Huang Y., Lu A., Zhang L. Recent advances in chitin based materials constructed via physical methods. Progress in Polymer Science. 2018;82:1-33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2018.04.001

41. Herrera N., Salaberria A. M., Mathew A. P., Oksman K. Plasticized polylactic acid nanocomposite films with cellulose and chitin nanocrystals prepared using extrusion and compression molding with two cooling rates: Effects on mechanical, thermal and optical properties. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016;83:89-97. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.05.024

42. Muzzarelli R. Chitosan-based dietary foods. Carbohydrate Polymers. 1996;29(4):309-316.

43. Kumara R., Xavier K. A. M., Lekshmi M., Balange A., Gudipati V. Fortification of extruded snacks with chitosan: Effects on techno functional and sensory quality. Carbohydrate Polymers. 2018;194:267-273. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.04.050

44. Pedrosa M. M., Guillamón E., Arribas C. Autoclaved and extruded legumes as a source of bioactive phytochemicals: a review. Foods. 2021;10(2):379. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10020379

45. Singh S., Gamlath S., Wakeling L. Nutritional aspects of Food extrusion: A review. International Journal of Food Science & Technology. 2007;42(8):916-929. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2006.01309.x

46. Day L., Swanson B. G. Functionality of Protein-Fortified Extrudates. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2013;12(5):546-564. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12023