چالشهای کلیدی در آسیابانی و ذخیره سازی آرد کامل گندم
چکیده
استفاده از آرد کامل گندم به دلیل افزایش سطح آگاهی مصرف کنندگان، روند رو به رشدی داشته است. به دلیل وجود لیپیدها و آنزیمهای تجزیه کننده این ترکیبات، مدت زمان ماندگاری این نوع آرد، در مقایسه با آرد سفید کوتاهتر میباشد. تجزیه لیپولیتیک منجر به کاهش خصوصیات کاربردی و ارزش تغذیهای آرد کامل گندم میگردد. روشهای پایداری ذخیرهسازی این نوع آرد بر روی کنترل فعالیت آنزیم لیپولیتیک موفقیت آمیز بوده است.
کلمات کلیدی: آرد کامل گندم، رنسید شدن هیدرولیتیکی، رنسید شدن اکسیداتیو
مقدمه
بنابر تعریف انجمن آمریکایی شیمیدانان غلات (AACC)، آرد کامل گندم، آردی است که از تمامی اجزای دانه گندم به دست میآید (AACC International, 1999). این آرد شامل مقادیر بیشتر ویتامینها، مواد معدنی، آنتی اکسیدان و سایر مواد مغذی در مقایسه با آرد معمولی گندم میباشد (Wennermark, et al. 1999). فرآیند تولید آرد کامل گندم، دارای نکات کلیدی و قابل تاملی است که عدم توجه صحیح به آنها میتواند مشکلات عدیدهای را به دنبال داشته باشد. به عنوان مثال آرد کامل گندم دارای فعالیت آنزیمی (Every, et al. 2006)، میزان لیپیدها (Chung et al,. 2009) و آنتی اکسیدان (Adom, et al. 2005) به مراتب بیشتری نسبت به آرد معمولی است که تمامی آنها قابلیت تاثیر بر روی زمان ماندگاری و ویژگیهای ذخیره سازی را خواهند داشت. مدارک و شواهد متعددی گواه این موضوع وجود دارد که مدت زمان ماندگاری آرد کامل گندم به طور چشمگیری کوتاهتر از آرد معمولی گندم میباشد. مدت زمانی برابر با 9-3 ماه پس از آسیابانی برای آرد کامل گندم در مقایسه با 15-9 ماه برای آرد معمولی گندم، قابل توجه میباشد. البته واضح است که فاکتورهای درجه حرارت و رطوبت در طول ذخیرهسازی، میتواند بر روی مدت زمان ماندگاری آرد و بالطبع کیفیت فرآوردههای حاصل از آن نیز تاثیرگذار باشد. ذخیره سازی آرد کامل گندم همراه با تغییرات بیوشیمیایی مختلفی، منجر به کاهش خاصیت کاربردی آرد میگردد. بیشترین ترکیب ناپایدار موجود در آرد کامل گندم لیپیدها هستند (O'Connor, 1992) که تجزیه آنها را میتوان از دلایل اصلی کاهش خاصیت کاربردی آرد دانست. هدف از این مقاله، مروری بر تجزیه ترکیبات اصلی تشکیل دهنده آرد کامل گندم در طول ذخیرهسازی و همچنین ارائه راهکارهای بهبود پایداری آن در طی این مرحله میباشد.
تجزیه لیپیدها
علی رغم وجود مقادیر بسیار ناچیز لیپید در آرد گندم، این ترکیب تاثیر بسزایی بر روی ویژگیهای کاربردی آرد دارد. جداسازی لیپیدها از خمیر حاصل از مخلوط آرد و آب، با حلالهای معمول امکان پذیر نمیباشد؛ چرا که این ترکیبات با پروتئینهای گلوتن به منظور گسترش مناسب شبکه گلوتنی، پیوند برقرار کردهاند (Goesaert, et al. 2005). لیپیدهای موجود در آرد کامل گندم طی رنسید شدن هیدرولیتیکی شکسته میشوند که این فرآیند میتواند با رنسید شدن اکسیداتیو نیز ادامه یابد و بر روی کیفیت آرد تاثیر گذار باشد.
* رنسید شدن هیدرولیتیکی
آنزیم لیپاز موجب پیشرفت واکنش رنسید شدن هیدرولیتیکی در آرد کامل گندم میشود (O'Connor, et al. 1992). لیپاز، تری گلیسیریدها را به اسیدهای چرب غیر استریفیه، دی گلیسیرید، مونو گلیسیرید و سرانجام گلیسرول تبدیل میکند. بر این اساس، میتوان چنین نتیجه گرفت که آزاد شدن اسیدهای چرب غیر استریفیه در آرد کامل گندم مرتبط با فعالیت آنزیم لیپاز میباشد. فعالیت این آنزیم در دانه گندم بیشتر در سبوس رخ میدهد (Goesaert et al. 2005). بیشترین فعالیت آنزیم لیپاز در گندم، در رطوبت تقریبی 17 درصد میسر میگردد. علی رغم این که میزان رطوبت در طول نگهداری آرد، در حدود 10 الی 14 درصد میباشد اما فعالیت این آنزیم تا نزدیک به 50 درصد میزان ماکزیمم خود ادامه مییابد. مشخصهای که لیپاز را بین سایر آنزیمهای هیدرولیتیکی، منحصر به فرد میسازد این است که آنزیم لیپاز تنها بر میزان اندک آب برای فعالیت نیاز دارد. مقادیر اضافه آب موجب پوشاندن محل فعال آنزیم و در نتیجه کاهش فعالیت آن میگردد (Every et al 2006). نتایج بررسی Hansen و همکاران در سال 1996 نشان داد، رنسید شدن هیدرولیتیکی به طور چشمگری بر روی ویژگیهای ارگانولپتیکی نان حاصل از این نوع آرد تاثیر داشت. از سوی دیگر ارزیابیهای حسی انجام شده توسط Heinio و همکاران نیز در سال 2002، گواه دیگری دال بر این موضوع بود که آرد کامل گندم با مقادیر بالای اسیدهای چرب غیر استری شده دارای طعم تلخی بود. محصولات واکنش رنسید شدن هیدرولیتیکی بر روی ویژگیهای پخت تاثیر بسزایی دارند (Tait, et al. 1988)؛ به طوری که در مقادیر اندک، اسیدهای چرب غیر استری شده اثر مثبتی بر روی حجم قرص نان دارد که دلیل آن را میتوان به اکسیداسیون گروههای سولفیدریل گلوتن در طول عملیات مخلوط کردن نسبت داد. این در حالی است که در مقادیر بالاتر، شاهد کاهش ظرفیت نگهداری گاز و حفظ الاستیسیته گلوتن خواهیم بود (Tait, et al. 1989).
* رنسید شدن اکسیداتیو
لیپیدها میتوانند در آرد کامل گندم در اثر فعالیت آنزیمی و یا فرآیند اتواکسیداسیون اکسید شوند. اکسیداسیون آنزیمی لیپید، به علت فعالیت لیپوکسی ژناز در جوانه و سبوس دانه گندم رخ میدهد (Marathe, et al. 2002). اتواکسیداسیون که یک واکنش غیرآنزیمی است میتواند در اثر وجود اکسیژن محیط صورت پذیرد. اکسیداسیون لیپید در طول مرحله ذخیره سازی آرد کامل گندم، با سرعت بسیار کمتری نسبت به هیدرولیز لیپید انجام میشود (O'Connor, et al. 1992). علت این امر را میتوان به این واقعیت نسبت داد که برخلاف آنزیم لیپاز، لیپوکسی ژناز در مقادیر بسیار اندک رطوبت، فعالیت بسیار کمی از خود نشان میدهد (Reddanna, et al. 1985). علی رغم فعالیت پائین این آنزیم در آرد خشک، لیپوکسی ژناز در طول مرحله ذخیرهسازی آرد، در هنگام اختلاط آب و آرد فعال میگردد (Marathe, et al. 2002). اکسیداسیون لیپیدها به دلیل از دست رفتن اسیدهای چرب ضروری منجر به کاهش ارزش تغذیهای و قابلیت پذیرش مشتری میشود (Goesaert, et al. 2005). از سوی دیگر فعالیت آنزیم لیپوکسیژناز موجب کاهش میزان کاروتنوئیدها و ویتامین E گردد (Wennermark,et al. 1992).
تجزیه پروتئینها
پروتئینهای گندم به علت توانایی تبدیل آرد به یک خمیر ویسکوالاستیک، در نوع خود منحصر به فرد میباشند. گلیادین که مسئول چسبندگی خمیر است حاوی باندهای دی سولفیدی داخل مولکولی میباشد، این در حالی است که گلوتنین الاستیسیته خمیر را فراهم نموده و دارای پیوندهای دی سولفیدی درون و بیرون مولکولی است (Wilkes, et al. 2008). پس از عملیات آسیابانی، پروتئینهای آرد حاوی مقدار زیادی از گروههای سولفیدریل میباشند، بنابراین برای تولید نان، کیفیت مناسبی ندارند. اعمال مرحله رسیدن آرد در کوتاه مدت یا استفاده از بهبود دهندههای شیمیایی، خاصیت کاربردی آرد را افزایش میدهد (Goesaert, et al. 2005). هرچند که ذخیره سازی در بلندمدت، کارایی پروتئینهای آرد را کاهش میدهد اما محققان در سال 2008، افزایش حلالیت پروتئینهای نمونه آردی را که به مدت 270 روز در دمای 30 درجه سانتی گراد ذخیره شده بود را مشاهده نمودند (Wilkes, et al. 2008). در این بین افزایش وزن مولکولی گلوتنین، قابل توجه بود. این امر در آرد کامل گندم چشمگیرتر است، چرا که میزان گلوتاتیون آن در مقایسه با آردهای معمولی بیشتر میباشد (Goesaert, et al. 2005). تغییر در خصوصیات کاربردی گلوتن را میتوان به اکسیداسیون لیپیدها نیز نسبت داد.
تجزیه کربوهیدراتها
Marathie و همکاران در سال 2002، طی بررسیهای خود افزایش کربوهیدراتهایی با وزن مولکولی پائین را طی ذخیرهسازی آرد کامل گندم گزارش نمودند. این کربوهیدراتها، افزایش رنگ پوسته نان را در نتیجه واکنش میلارد موجب میگردند (Pomeranz, et al. 1988). این در حالی است که نان حاصل از آرد کامل گندمی که برای مدت طولانیتر از حد متعارف باشد، رنگ پریدهتری به پوسته میدهد (Rose, et al. 2011). این موضوع میتواند در نتیجه کاهش اسید آمینههای در دسترس برای واکنش میلارد باشد. Rehman و همکاران نیز در سال 1999، کاهش 18 درصدی مقدار لیزین در دسترس را پس از ذخیرهسازی گندم در دمای oC25 به مدت 6 ماه گزارش نمودند.
تجزیه سایر ترکیبات
Wennermarkو همکاران در سال 1992 به این نتیجه رسیدند که در صورت ذخیرهسازی آرد کامل گندم در دمای oC20 به مدت 12 ماه، میزان فعالیت ویتامین E، کاهشی 40 درصدی خواهد داشت. در همین راستا، Nielsen نیز در سال 2008 به نتایج مشابهی دست یافتند؛ به طوری که در طول 297 روز ذخیرهسازی در دمای اتاق، کاهش 32 درصدی مشاهده شد. کاهش میزان ویتامین E با اکسیداسیون لیپیدها مرتبط میباشد. از سوی دیگر کاروتنوئیدها نیز در نتیجه اکسیداسیون لیپیدها میتوانند اکسید شوند (Arya, et al. 1981). ذخیرهسازی آرد کامل گندم برای 12 ماه، کاهش 5/11-2/7 درصدی تیامین را دنبال داشت.
روشهای بهبود ثبات ذخیرهسازی آرد کامل گندم
تجزیه لیپیدها میتواند در صورت ذخیرهسازی در شرایط سرد کاهش یابد؛ به طوری که کاربرد دمای oC20- برای 20 هفته موجب جلوگیری از این فرآیند در آرد کامل گندم شد (Tait, et al. 1988). البته کاربرد این روش برای صنعت آرد هزینهبر میباشد. اضافه کردن آنتی اکسیدان نیز به آرد کامل گندم، صرفاً تاثیر اندکی در افزایش زمان ماندگاری دارد که این موضوع را میتوان به علت تولید اسیدهای چرب غیراستریفیه در طول عمل ذخیرهسازی نسبت داد که موجب اکسیداسیون سریع توسط لیپوکسیژناز میگردد (Reddanna, et al. 1985). بر این اساس کاربرد روشهای دیگری برای این منظور ضروری به نظر میرسد. از اصلیترین روشها برای کنترل رنسید شدن آرد کامل گندم، ممانعت از فعالیت آنزیم لیپاز میباشد چرا که فعالیت این آنزیم اولین قدم برای تجزیه لیپیدها میباشد. از آنجایی که فعالیت اصلی این آنزیم در سبوس گندم متمرکز شده است، بنابراین میتوان این بخش را به صورت جداگانه مورد تیمار حرارتی قرار داده و سپس مجدداً با نسبت مناسب به آرد اضافه نمود (Rose, et al. 2011). این عمل، بدون تاثیر بر ویژگیهای فراسودمندی آرد، موجب بازداری فعالیت لیپاز میگردد. در غلات گندم، برنج و یولاف، آنزیم لیپاز دارای پایداری و ثبات بیشتری نسبت به لیپوکسیژناز میباشد (O'Connor, et al. 1992). بنابراین چنانچه لیپاز دناتوره گردد، لیپوکسیژناز نیز حتماً دناتوره خواهد شد. Vetrimani و همکاران در سال 1990، با حرارت دادن سبوس گندم در دمای oC175 به مدت 40 دقیقه، فعالیت لیپاز را کاهش دادند. از آنجایی که فعالیت لیپاز میتواند تحت تاثیر حضور یونهای فلزی قرار گیرد. Munshi و همکاران در سال 1993، هر یک از نمکهای ZnCl2، NiCl2، FeCl3 را در HCl حل کرده و محلول به دست آمده را بر روی سبوس برنج اسپری نمودند. نتایج نشان داد تاثیر این نمکها بر روی پایداری در مقابل فعالیت لیپاز در طول 10 روز ذخیره سازی به ترتیب برابر با NiCl2 > FeCl3 > ZnCl2 > CuCl2 بود. Prabhakar و همکاران در سال 1986، در آزمایشی مشابه، سبوس برنج را به منظور کاهش pH، با HCl مورد تیمار قرار دادند. این امر موجب کاهش 80 درصدی اسیدهای چرب غیر استریفیه شده در طول 30 روز ذخیرهسازی در شرایط دمایی 30-25 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 65-50% بود. Champagne نیز در سال 1994 با استفاده از بخار اتانول موجب دناتوره شدن آنزیم لیپاز شد.
علاوه بر غیرفعال کردن آنزیم لیپاز، روشهای دیگری نیز برای افزایش مدت زمان ماندگاری آرد کامل گندم مورد استفاده قرار گرفته است. Marathe و همکاران در سال 2002، از اشعه گاما برای این منظور استفاده نمودند. نان حاصل از این نوع آرد پس از 6 ماه ذخیرهسازی، شرایط مطلوبتری را از لحاظ ویژگیهای بافتی و ارزیابی حسی در مقایسه با نانی که در معرض اشعه قرار نگرفته نشان داد.
نتیجه گیری
محصولات حاصل از آنزیمهای لیپاز و لیپوکسیژناز در طی ذخیرهسازی آرد کامل گندم، تاثیر عمدهای در کاهش مطلوبیت حسی، ارزش تغذیهای و خصوصیات کاربردی فرآورده نهایی خواهند داشت. ممانعت از فعالیت آین آنزیمها توسط کنترل رنسید شدن، از عوامل اصلی بهبود کیفیت آرد کامل گندم، افزایش مدت زمان ماندگاری و بالطبع افزایش قابلیت مشتری پسندی میشود. البته نیاز به تحقیقات بیشتری در زمینه بهبود ثبات ذخیرهسازی آرد کامل گندم احساس میشود.
منابع
AACC International, 1999. AACC International Defines Whole Grain. Available at: http://aaccnet.org/definitions/wholegrain.asp (accessed 16.09.11.).
Adom, K.K., Sorrells, M.E., Liu, R.H., 2005. Phytochemicals and antioxidant activity of milled fractions of different wheat varieties. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53, 2297e2306.
Arya, S.S., Parihar, D.B., 1981. Effect of moisture and temperature on storage changes in lipids and carotenoids of atta (wheat flour). Nahrung-Food 25, 121e126.
Champagne, E.T., Hron, R.S., 1994. Inhibition of lipase activity and oxidation in brown rice products by extraction with ethanol containing chelators/acidulants. Cereal Chemistry 71, 483e488.
Chung, O.K., Ohm, J., Ram, M.S., Park, S., 2009. Wheat lipids. In: Khan, K., Shewry, P.R. (Eds.), Wheat Chemistry and Technology, fourth ed. AACC International, St. Paul, MN, pp. 363e390.
Every, D., Simmons, L.D., Ross, M.P., 2006a. Distribution of redox enzymes in millstreams and relationships to chemical and baking properties of flour. Cereal Chemistry 83, 62e68.
Goesaert, H., Brijs, K., Veraverbeke, W.S., Courtin, C.M., Gebruers, K., Delcour, J.A.,2005. Wheat flour constituents: how they impact bread quality, and how to impact their functionality. Trends in Food Science and Technology 16, 12e30.
Hansen, L., Rose, M., 1996. Sensory acceptability is inversely related to development of fat rancidity in bread made from stored flour. Journal of the American Dietetic Association 96, 792e793.
Heinio, R.L., Lehtinen, P., Oksman-Caldentey, K.M., Poutanen, K., 2002. Differences between sensory profiles and development of rancidity during long term storage of native and processed oat. Cereal Chemistry 79, 367e375.
Marathe, S.A., Machaiah, J., Rao, B.Y., Pednekar, M.D., Sudha Rao, V., 2002. Extension of shelf-life of whole-wheat flour by gamma radiation. International Journal of Food Science and Technology 37, 163e168.
Munshi, S.K., Bhatia, N., Sekhon, B.S., Sukhija, P.S., 1993. Inactivation of rice bran lipase with metal ions. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 57, 169e174.
Nielsen, M.M., Hansen, A., 2008. Stability of vitamin E in wheat flour and whole wheat flour during storage. Cereal Chemistry 85, 716e720.
O'Connor, J., Perry, H.J., Harwood, J.L., 1992. A comparison of lipase activity in various cereal grains. Journal of Cereal Science 16, 153e163.
Pomeranz, Y., 1988. Composition and functionality of wheat flour components. Wheat: Chemistry and Technology, third ed., vol. 2. American Association of Cereal Chemists, St. Paul, MN, pp. 219e370.
Prabhakar, J.V., Venkatesh, K.V., 1986. A simple chemical method for stabilization of rice bran. Journal of the American Oil Chemists' Society 63, 644e646.
Reddanna, P., Rao, M.K., Reddy, C.C., 1985. Inhibition of 5-lipoxygenase by vitamin E. FEBS Letters 193 (1), 39e43.
Rehman, Z., Shah,W.H., 1999. Biochemical changes in wheat during storage at three temperatures. Plant Foods for Human Nutrition 54, 109e117.
Rose, D.J., Ogden, L.V., Dunn, M.L., Jamison, R., Lloyd, M.A., Pike, O.A., 2011. Quality and sensory characteristics of wheat after residential storage for up to 32 y. Journal of Food Science 76, S8eS13.
Tait, S.P.C., Galliard, T., 1988. Effect on baking quality of changes in lipid composition during wholemeal storage. Journal of Cereal Science 8, 125e137.
Vetrimani, R., Haridas Rao, P., 1990. Studies on stabilization of wheat bran. Journal of Food Science and Technology 27, 332e335.
Weaver, G.L., 2001. A miller's perspective on the impact of health claims. Nutrition Today 36, 115e118.
Wennermark, B., Jägerstad, M., 1992. Breadmaking and storage of various wheat fractions affect vitamin E. Journal of Food Science 57, 1205e1209.
Wilkes, M., Copeland, L., 2008. Storage of wheat grains at elevated temperatures increases solubilization of glutenin subunits. Cereal Chemistry 85, 335e338.
6