STUDY OF AROMATIC INDICATORS OF GLUTEN-FREE BREAD USING THE 'ELECTRONIC NOSE' DEVICE

В последние годы у большинства жителей Российской Федерации отношение к глютену кардинально изменилось. Из малоизвестного термина он превратился в один из самых обсуждаемых компонентов пищевого рациона. Маркировка «Gluten-free» больше не воспринимается как просто модный тренд, но и является жизненной необходимостью и единственной терапией для людей с непереносимостью глютена. Целиакия — это аутоиммунное заболевание, при котором даже следовые количества глютена вызывают воспалительные процессы и серьезные повреждения тонкой кишки

В связи с вышеизложенным данный вопрос требует особого внимания и необходимость разработки безглютеновой продукции для массового потребления.  

Безглютеновый хлеб создается из следующего сырья — кукурузной, рисовой, гречневой и других видов муки, не содержащих глютеновые фракции. Безусловно, безглютеновые продукты обладают другой текстурой и ароматом по сравнению с аналогами из пшеничной муки

При разработке новых безглютеновых изделий важно не только обеспечить безопасность, но и сохранить привычные для потребителя вкусовые и ароматические свойства. Именно поэтому необходимо проведение органолептических исследований, в том числе с применением современных методик или устройств, например, «электронный нос» это устройство имитирующее человеческое обоняние. Эти системы позволяют качественно и количественно оценить летучие соединения, снижающие излучательную способность восприятия. Их использование обеспечивает создание продуктов, которые не только диетические, но и соответствуют вкусовым ожиданиям потребителей

Современная наука в области пищевых технологий подчёркивает оригинальность запаха, как один из ключевых показателей качества продукции. Формулировка для расчета летучих методов обработки и влияния на восприятие свежести, безопасности и привлекательности продукта. Согласно исследованию, около 70% потребителей при выборе еды ориентируются на запах. Однако восприятие аромата — индивидуальный процесс, основанный на личных предпочтениях, культурном контексте и психофизиологическом состоянии человека, что затрудняет объективную оценку органолептических характеристик

Цель работы — изучить ароматические показатели исследуемых образцов безглютенового хлеба с помощью мультисенсорной системы «электронный нос».

Задачи исследования:

1. Провести инструментальную оценку ароматического профиля контролей и опытных образцов хлебобулочной продукции по методологии «электронного носа» и сенсорного массива на основе пьезокварцевых резонаторов.

2. Определить количественные отклики сенсоров (в Гц) на летучие соединения в газовой фазе (РГФ), формирующейся над контролями и опытными образцами.

3. Вычислить площади «визуальных отпечатков» сигналов сенсоров, отражающих суммарную интенсивность ароматов каждого из образцов.

4. Сравнить «визуальные отпечатки» сенсорных сигналов опытных образцов с соответствующими контролями для выявления различий в составе и концентрации ЛОС.

5. Провести нормированный анализ сенсорных данных для оценки вклада различных групп летучих веществ (вода, спирты, кетоны, амины и пр.) в общий ароматический профиль исследуемых образцов.

6. Установить закономерности влияния отдельных добавок (ксантана и капустного порошка) на изменение ароматической насыщенности продуктов в зависимости от типа муки (рисовая или кукурузная).

Инструментальная оценка запаха представленных образцов проведена на лабораторном анализаторе газов «МАГ-8» по методологии «электронный нос» (производство Россия) на основе 8-ми сенсоров

В исследовании применены сенсоры на основе пьезокварцевых резонаторов ОАВ-типа с базовой частотой колебаний 10,0-14,0 МГц с разнохарактерными пленочными и наноструктурированными сорбентами на электродах

S 1 — Поливинилпирролидон, ПВП;

S 2 — Прополис, пчелиный клей, ПчК;

S 3 — Дициклогексан-18-Краун-6, ДЦГ18К6;

S 4 — Гидроксиапатит, ГА;

S 5 — Полиэтиленгликоль ПЭГ-2000, ПЭГ-2000;

S 6 — Полиэтиленгликоль себацинат, ПЭГСб;

S 7 — Полиэтиленгликоль сукцинат, ПЭГС;

S 8 — Тритон Х-100, ТХ100.

В качестве контролей использовали ранее разработанные безглютеновые хлебобулочные изделия:

– контроль 1 — из рисовой и льняной муки (70:30) с добавлением 3,4% псиллиума;

– контроль 2 — кукурузной и льняной муки (50:50) с добавлением 3,4% псиллиума

А в качестве опытных исследовали образцы:

1.1 — из рисовой и льняной муки (70:30) с добавлением капустного порошка 4%;

1.2 — из рисовой и льняной муки (70:30) с добавлением ксантана 0,5%;

2.1 — из кукурузной и льняной муки (50:50) с добавлением капустного порошка 5%;

2.2 —  из кукурузной и льняной муки (50:50) с добавлением ксантана 0,4%.

В таблице 1 представлены исследуемые образцы: безглютеновых композитных смесей без добавок и с ними.

В ходе эксперимента было проведено сравнение количественного и качественного фракционного состава летучих соединений в образцах. Данный метод представляет собой инновационный подход, направленный на выявление различий в составе и концентрации легкоиспаряемых (летучих) органических соединений. Использование анализа первичных данных, поступающих от сенсорных элементов, а также обработка интегрального количественного сигнала, формируемого системой «электронного носа», позволяет применять эти технологии в качестве эффективного инструмента для мониторинга качества и обеспечения безопасности пищевой продукции. Подобные методы способствовал не только обнаружению отклонений в характеристиках продукта, но и играл важную роль в процессе его совершенствования и адаптации к установленным стандартам пищевой безопасности и потребительского качества.

Проведение экспериментальных исследований с применением таких технологий даёт возможность более точно контролировать органолептические параметры продуктов, что особенно актуально в условиях современного производства. Для того чтобы выявить отличия в составе и концентрации летучих органических соединений в газовой фазе, формирующейся над хлебобулочными изделиями, применялся сравнительный анализ поверхностей, образованных так называемыми «визуальными отпечатками» максимальных сенсорных откликов. Эти графические отпечатки позволяют наглядно оценить различия между образцами, основываясь на совокупности сигналов, поступающих от различных сенсоров в составе электронной системы. Такой подход даёт объективные данные для последующего анализа и принятия решений в процессе разработки и производства продуктов питания (таблица 2).

Анализ представленных образцов позволял решить сразу несколько задач. В первую очередь можно оценить, как добавление таких ингредиентов, как ксантан и псиллиум, влиял на ароматические характеристики изделий. Кроме того, важно исследовать влияние типа основы — рисовой или кукурузной – на состав и интенсивность аромата. Для объективной интерпретации полученных результатов необходимо проводить сравнение каждого опытного образца с соответствующим контролем. Дополнительные исследовательские задачи могут быть сформулированы и решены самостоятельно на основе представленных экспериментальных данных. Далее рассмотрим, какие изменения происходят в составе ароматических веществ внутри каждой группы изделий.

В группе на основе рисовой муки, у образцов наблюдались чёткие различия в интенсивности аромата, что указывает на отличия в составе летучих органических соединений. Так, образец 2, в которую был введён ксантан, продемонстрировала заметно меньшую ароматическую насыщенность по сравнению с контролем, а также с опытным образцом, в состав которой входила капуста. Разница по снижению интенсивности составила 23,1%, что свидетельствует о значительном влиянии ксантана на снижение количества и/или концентрации летучих компонентов, формирующих запах.

В группе на основе кукурузной муки также выявлены различия, однако они проявляются несколько иначе. По сравнению с контролем, включение в состав капусты и ксантана также приводит к снижению ароматической насыщенности. В частности, образец 1 показал уменьшение интенсивности аромата на 16,3%, а образец 3 — на 23,0%. Таким образом, можно утверждать, что введение ксантана оказывает выраженное негативное влияние на аромат продукта в обеих исследуемых группах, снижая концентрацию летучих соединений.

Общее наблюдение заключалось в том, что независимо от используемой основы — рисовой или кукурузной — добавление ксантана приводит к значительному снижению интенсивности аромата изделий. Это могло быть связано с физико-химическими свойствами ксантана, влияющими на выделение летучих веществ.

Для более глубокого анализа был проведён сравнительный обзор количественного и качественного фракционного состава летучих органических соединений, присутствующих в атмосфере над испытуемыми образцами. С этой целью отслеживались изменения в составе по относительному содержанию основных классов летучих соединений, на которые были откалиброваны сенсоры в используемом массиве. Для получения объективных результатов был применён метод нормировки, данные по которому представлены в таблице 3.

Кроме того, с помощью метода нормировки была рассчитана доля вклада откликов сенсоров с различными покрытиями в совокупный аналитический сигнал. Эти расчёты позволили уточнить природу соединений, оказывающих наибольшее влияние на формирование аромата изделий, а также выявить фракции, вносящие основной вклад в композицию летучих веществ, регистрируемых над каждым образцом.

Как видно из данных, представленных в таблице 3, блоки хлебобулочных изделий производят эффект в составе летучих соединений (ЛС) различных классов в газофазном пространстве (РГФ), что указывает на их естественное состояние, разнообразие и характер особенностей рецептурного состава. Используемые добавки по-разному влияют на состав РГФ в образцах, изготовленных на основе рисовой и кукурузной муки. Приведенные изменения в образцах на основе кукурузы выражены более существенно по сравнению с рисовыми аналогами. Существенное воздействие на состав ЛС в следующих группах воздействия ксантана — его введение приводит к заметному снижению содержания влаги и аминов. Прочие изменения можно подробно отслеживать, опираясь на данные таблицы 3.

Совокупные многомерные сигналы от всех датчиков, представляющие собой «визуальные отпечатки» — как максимальные, так и кинетические срабатывания датчиков в течение 60 секунд воздействия парами образцов — отражают как количественные характеристики содержания летучих веществ в РГФ, так и степень относительности их состава. Для наглядного сравнения приведем квадрат и схему аналитических сигналов (А.С.) датчиков в РГФ над различными образцами (см. рисунок 1). Для каждого образца в едином масштабе представлены круговые диаграммы максимальных сенсорных откликов, что позволяет одновременно оценивать, как качественный состав (по форме диаграммы), так и количественное наполнение смесей летучими соединениями (по площади), диффундирующими из соответствующих образцов.

Рисунок 1 - «Визуальные отпечатки» максимальных сигналов сенсоров в РГФ над образцами

Примечание: а – контроль 1; б – контроль 2; в – 1; г – 3; д – 2; е – 4

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.56.4

Установлено, что состав смесей летучих соединений в некоторых образцах заметно выражен, что свидетельствует о различиях в рецептуре индивидуальных изделий. На рисунке 2 красного цвета выделены основные различия. Чем выше точность в местах сенсорных откликов, тем сильнее различаются ароматические профили сравниваемых образцов.

Рисунок 2 - Сравнение визуальных отпечатков максимальных (ВО) анализируемых образцов

Примечание: а – 1 (синий) контроль 1 (фиолетовый); б – 3 (синий) контроль 1 (фиолетовый); в – 2 (синий) контроль 2 (фиолетовый); г – 3 (синий) контроль 2 (фиолетовый)

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.56.5

Еще более наглядная картина в составе летучих соединений дает нормированные данные по сигналу четвертого датчика, обладающего наименьшей чувствительностью в анализируемом РГФ (рисунок 2). Такой способ нормализации сигналов используется как прием внутренней корректировки обнаруженных откликов, нивелируя возможные погрешности, возникающие при отборе проб. В случае идентичности состава и природы полярных измерений в РГФ нормированные «отпечатки» совпадут. Из окончательного анализа были исключены данные по датчикам 4 и 7, так как их срабатывание производилось по сравнению с другими датчиками.

1. Отмечено, что выбранный метод электронный нос «МАГ-8» позволяет надежно фиксировать как количественные, так и качественные различия в составе ароматических веществ и показал высокую эффективность для анализа летучих соединений в безглютеновых образцах.

2. Установлено, что сенсорные отклики различались в зависимости от компонентного состава образцов, а именно образцы с ксантаном показали снижение сигналов, особенно по сенсорам, чувствительным к водорастворимым и аминогрупповым соединениям.

3. Выявили площади визуальных отпечатков, подтвердили снижение ароматической насыщенности у образцов с ксантаном. Наибольшее отличие от контроля зафиксировано у образцов 3 и 4.

4. Сравнение отпечатков показало, что ксантан снижает аромат сильнее, чем капустный порошок. Разница с контролем достигает 30%, что указывает на значительное влияние добавки.

5. Нормировка данных выявила снижение содержания полярных соединений и аминов при введении ксантана. Капустный порошок сохраняет более сбалансированный профиль ЛОС.

6. Установлено, что влияние добавок зависит от типа муки. В кукурузных смесях изменения выражены сильнее, чем в рисовых.

Проведенное исследование подтвердило высокую чувствительность и эффективность применения технологии «электронный нос» для анализа ароматического профиля безглютеновых хлебобулочных изделий. Выявлено, что ксантановая камедь существенно снижает интенсивность аромата, в то время как капустный порошок оказывает менее выраженное воздействие. Тип муки оказывает дополнительное влияние на выраженность эффектов, что необходимо учитывать при оптимизации рецептурных составов. Представленный метод может служить основой для дальнейших исследований в области контроля качества и улучшения органолептических характеристик пищевых продуктов.