Влияние кислотности среды на характер равновесного набухания биополимеров пищевой композиции в воде и технологических средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ НА ХАРАКТЕР РАВНОВЕСНОГО НАБУХАНИЯ БИОПОЛИМЕРОВ ПИЩЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ В ВОДЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ

питание общественный субстанция набухание

Т.В. Алексеева¹, К.К. Полянский², Е.А. Климова¹, Ю.О. Калгина¹

1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» ²ФГБОУ ВО «Российский экономический университет имени ГВ. Плеханова»

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований водосвязывающей способности пищевой гетерогенной системы с целью ее применения на предприятиях общественного питания для обогащения пищевой продукции алиментарными нутриентами. Наличие воды и гидрофильные свойства различных видов сырья в пищевой отрасли, перераспределение влаги и ее связывание в процессе технологической обработки оказывает существенное влияние на качественные показатели готовой продукции. Содержание связанной влаги в кулинарных изделиях значительно влияет на их массу, выход и стоимость. Поэтому исследованию процессов набухания пищевых субстанций уделяется большое внимание. В данной работе изучалась пищевая гетерогенной система из жмыха зародышей пшеницы, семян фасоли белой и альбумина животного. Установлено, что в процессе гидратации пищевой композиции часть веществ растворяется (49.8 %), остальные (50.2 %) набухают ограниченно. Экспериментально измерены интегральные удельные теплоты набухания набухающей фракции объекта исследований и определена масса гидратной воды. Рассчитаны предельная степень набухания, константа скорости набухания и скорость гидратации пищевого объекта в различных растворителях. В статье сопоставлены аналогичные показатели для различных сред: вода, водные растворы с диапазоном рН 4.0-9.0 и технологические среды. В качестве технологических растворителей применялись традиционные среды, применяемые в отрасли питания. Обсуждены выявленные закономерности, выяснено, что значения предельной степени набухания и содержание гидратной воды в общей массе поглощенной жидкости были максимальными в растворах с нейтральной, слабощелочной и щелочной средах, что согласуется с данными по кислотности традиционных технологических сред, применяемых в отрасли питания. Согласно полученным данным, предельная степень набухания объекта в технологических средах достаточно велика и изменялась в пределах 1.33-3.28 г/г, в растворах сахарозы и хлорида натрия отмечены самые высокие значения и минимальное значение - в растворе сыворотки творожной. Время достижения максимальной степени набухания объекта исследований в разных растворителях составляло 5-20 минут. Полученные результаты могут быть использованы в диетологических исследованиях и при разработке нормативно-технической документации при производстве пищевой продукции для персонализированного питания и специального назначения.

Ключевые слова: набухание, животное и растительное сырье, жмых зародышей пшеницы, семена фасоли, альбумин животный, водосвязывающие свойства, функционально-технологические свойства пищевых систем, технологические среды, калориметрия, гельпроникающая хроматография

Получение готовой продукции в пищевой отрасли с заранее определенными качественными показателями во многом определяется гидрофильными свойствами веществ, входящих в состав сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Наличие влаги в пищевых субстанциях оказывает существенное влияние на их свойства. Особое внимание на предприятиях общественного питания уделяется процессам перераспределения и связывания влаги в пищевых системах на всех этапах технологического процесса, например при замораживании продуктов, а также в ходе их термообработки. В зависимости от вида гидротермической обработки может существенно изменяться качественные показатели пищевых композиций и их состав, масса полуфабрикатов и готовой продукции, цена готовых изделий. Поэтому вопросам направленного перераспределения влаги в пищевой промышленности и общественном питании, в частности, уделяется существенное внимание [1-4].

Объектом наших исследований выступала пищевая комплексная система (ПКС), служащая для обогащения продуктов питания специальной направленности. Компонентный состав ПКС следующий, мас. %: жмых зародышей пшеницы - 30, фасоль - 20, альбумин - 50.

Целью работы являлось исследование процесса набухания биополимеров ПКС в зависимости от pH водных растворов и свойств технологических сред, изучение водосвязывающих свойств компонентов ПКС в процессе набухания при различных температурах.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В процессе приготовления объекта исследований применялось сырье, соответствующее действующей нормативной документации: жмых зародышей пшеницы (ТУ 9295-014-18062042-06. Мука зародышей пшеницы пищевого назначения «ВИТАЗАР»); семена фасоли белой (ГОСТ 34299-2017. Фасоль овощная свежая); альбумин пищевой (белок плазмы крови «GITPRO D», производитель Группа Компаний «Перспективные технологии и ингредиенты», г. Мытищи, Россия).

Массовую долю влаги определяли по ГОСТ Р 51479-99 «Мясо и мясные продукты. Метод определения массовой доли влаги». Определение массовой доли золы проводили в муфельной печи по ГОСТ 28418-89. «Зерновые, бобовые и продукты их переработки. Методы определения зольности». Массовую долю белка определяли методом Кьельдаля по ГОСТ 23327-98 «Молоко и молочные продукты. Метод измерения массовой доли общего азота по Кьельдалю и определение массовой доли белка». Массовую долю жира по ГОСТ 13496-85. «Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения сырого жира». Массовую долю углеводов определяли с использованием метода гельпроникающей хроматографии. Хроматограммы регистрировали на хроматографе ЖХ-1307 с применением рефрактометрического детектора. Определение содержания клетчатки проводили по ГОСТ Р 52839-2007. «Корма. Метод определения содержания сырой клетчатки с применением промежуточной фильтрации». Определение лигнина ГОСТ 26177-84. «Корма, комбикорма. Метод определения лигнина»; целлюлозы ГОСТ 6840-78. «Целлюлоза. Метод определения содержания альфа-целлюлозы». Для определения аминокислотного состава образцов применяли метод ионообменной хроматографии. Исследования проводили на автоматическом анализаторе аминокислот ААА-339.

Поскольку количественные характеристики набухания можно определить только при ограниченном набухании ВМС, для проведения исследований была выделена фракция ПКС, нерастворимых в воде. Ее доля в общем содержании сухих веществ ПКС составила 50.2 %. Для ее определения ПКС высушивали до постоянной массы (массу фиксировали), затем тщательно промывали большим количеством воды и снова высушивали до постоянной массы.

В связи с тем, что размер и структура частиц влияет на скорость набухания, для исключения влияния размера частиц на характеристики набухания было выполнено измельчение отмытой и высушенной до постоянной массы фракции ПКС, средний размер частиц которой был определен в результате ситового анализа в соответствии с ГОСТ 27560-87 «Мука и отруби. Метод определения крупности». Средний размер частиц ПКС составил 0.65 мм.

Для изучения кинетики набухания применяли тургометр - колбу, состоящую из двух стеклянных резервуаров, соединенных трубкой с градуированной шкалой. Тургометр позволяет с точностью до 0.01 см³ измерять объем или массу поглощенной воды за время контакта полимера с растворителем. Для этого колбу заполняли соответствующим растворителем (модельные водные растворы с разным значением pH и технологические среды) так, чтобы растворитель соответствовал нулевой отметке градуированной шкалы. Затем в резервуар помещали навеску исследуемого вещества (ПКС), упакованную в легкий водопроницаемый контейнер, масса навески и контейнера контролировалась на аналитических весах с точностью до 0.001 г. Тургометр плотно закрывали пробкой и переворачивали на 180°, приводя образец в контакт с растворителем. По истечении заданного времени контакта полимера с растворителем, прибор возвращали в исходное положение и измеряли по шкале объем поглощенной жидкости или на аналитических весах массу набухшего образца. Измерения повторяли до тех пор, пока в растворе не устанавливалось равновесие и масса набухшего полимера не изменялась [5-7].

Теплоту набухания определяли калориметрическим методом на лабораторной установке - изотермический калориметр, совмещенным с персональным компьютером, позволяющем фиксировать изменение температуры при протекании процесса с точностью ± 0.001^оС при температуре 20 ± 2 ^оС. Сущность калориметрических измерений заключалась в установлении температурного хода, другими словами зависимости температуры в калориметре от времени контакта полимера с растворителем в течение всего времени набухания [5-7].

Эксперимент по определению теплоты набухания проводили путем установления температурного хода для определения теплоемкости калориметра. Для этого в сосуд наливали 80 см³ дистиллированной воды, помещали в термостат и закрывали крышкой с термодатчиком, подключенным к контроллеру. Затем включали магнитную мешалку и помещали шприц с навеской стандартного вещества (KCl) в калориметр для термостатирования и снимали температурный ход. Показания термодатчика (°С) отображались на экране монитора, а изменение температуры снимали каждые 5 секунд в течение всего опыта. После того, как устанавливался стационарный режим, высыпали в калориметрическую жидкость навеску KCl и снимали показания температуры до установления аналогичного состояния системы. По графику определяли изменение температуры при растворении хлорида калия и рассчитывали теплоемкость калориметра.

В работе использовали водопроводную воду (рН 7.1), которая соответствовала ГОСТ 51232-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. Технологические среды готовились в соответствии действующей на предприятиях общественного питания нормативно технической документацией [8-11].

Пищевые субстраты в отрасли питания представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие высокомолекулярные соединения (ВМС) разной природы и другие компоненты, определяющие гидрофильные свойства объектов в целом. Взаимодействие биополимеров пищевых субстратов с водой в значительной мере определяется их способностью к гидратации, т.е. наличием в макромолекуле ВМС полярных (гидрофильных) групп, которые взаимодействуют с растворителем.

Исследуемый объект содержал вещества, обладающие активными гидрофильными свойствами, массовая доля которых приведена в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что изучаемый объект - сложная гетерогенная система, в ее состав входят полярные мономеры: белки, полисахариды, клетчатка, гемицеллюлоза, природа и количественное соотношение которых в системе значительно влияет на скорость и характер процесса набухания. Наличие в составе клетчатки, гемицеллюлозы и лигнина позволяют предположить ограниченный характер набухания, поскольку эти вещества имеют разветвленную и сшитую структуру, свободное пространство каркаса полимера может активно заполняется водой при их непосредственном контакте. Процесс взаимодействия вода - полимер носит адсорбционный характер, т.к. набухание происходит за счет образования водородных связей между молекулами воды и полярными группами биополимеров. Очевидно, что в изучаемой пищевой композиции способностью к набуханию обладают, главным образом, белки и полисахариды. Белковая фракция представлена преимущественно альбуминами, глютелинами, проламинами и глобулинами, которые активно взаимодействуют с водой и для них характерен процесс ограниченного набухания, а при нагревании растворителя, процесс может сопровождаться растворением некоторых белков (например, альбуминов). Существенная часть композиции аминокислоты, представляющие собой полиэлектролиты, имеющие в структуре макромолекулы несколько гидрофильных фрагментов, способных в водном растворе диссоциировать на цвиттер-ионы и находится в водных растворах, например, в виде биполярных ионов [6-7, 12-20].

Таблица 1.

Фракционный состав пищевой комплексной системы

Вода является одним из основных растворителей в технологических циклах пищевых технологий. В этой связи в работе были получены кинетические характеристики набухания пищевой системы в воде. Изучение кинетики набухания пищевой композиции производили по стандартной методике [6-7]. Степень набухания - количественную характеристику, показывающую относительное увеличение массы ВМС в процессе гидратаннн і рассчитывали по формуле:

где m°, m - масса сухого и набухшего вещества; т_ж - масса поглощенной жидкости.

Кинетическая кривая зависимости степени набухания от времени контакта полимера с растворителем соответствовала процессу ограниченного набухания. На кривой наблюдалось линейное увеличение степени набухания первые две минуты, что характерно для стадии гидратации и формирования слоя связанной воды, дальнейшее плавное увеличение степени набухания вплоть до максимального его значения соответствовало осмотической стадии, где происходит диффузия свободной воды в матрицу полимера до установления равновесия и предельного значения степени набухания [5-6].

Зависимость степени набухания от времени взаимодействия полимера с растворителем описывается известным эмпирическим уравнением вида:

где i_max - максимальная (предельная) степень набухания (г/г); ф - время (с); б - эмпирическая константа [5-7].

При аппроксимировании полученных данных i=f(ф) формулой 2 можно определить предельную степень набухания образца. Для этого уравнение 2 привели к линейному виду и графическим методом натлн константы imax и а:

Используя программу Excel 2010 построили график в координатах 1/i = f (1/ф) и определили по уравнению тренда угловой коэффициент 1/б i_maч =16.9 и свободный член в уравнении прямой 1/ i_mx = 0.3. Найденные константы позволили определить максимальную степень набухания у (3.3 г/г) и коэффициент б = 1/~i_max (0.02).C точки зрения химической кинетики процесс набухания ВМС относится к реакциям первого порядка, поэтому для математических расчетов кинетических характеристик: скорости процесса (di/dt) , константы скорости набухания (k) использовали дифференциальное уравнение вида:

Расчет средней скорости процесса проводили по формуле, полученной дифференцированием уравнения 2:

Подставив константы Ў©ох и б в формулу 5, рассчитали скорость процесса за определенное время контакта полимера с растворителем. Аналогично рассчитали скорости к каждому отрезку времени и затем определили среднюю скорость набухания, как среднее арифметическое полученных значений. Анализ полученных данных показал, что с увеличением времени контакта полимера с растворителем скорость процесса набухания уменьшается и по истечению 15 минут значительно убывает до величины 2.0·10^-4 г/г,с. Это свидетельствовало о том, что за это время контакта скорость набухания стремится к нулю и процесс достигает равновесия, а степень набухания становится постоянной и достигает максимального значения. В итоге было установлено, что оптимальное время контакта ПКС с водой составляет 10-15 минут, что весьма удобно не сложно внедрить в производственный процесс на предприятиях общепита.

Также определяли скорость гидратации ПКС в водопроводной воде (pH = 7.1) при комнатной температуре (20 ± 2^оС) методом графического дифференцирования кинетической кривой, для этого определяли тангенс угла наклона начального линейного участка кривой к оси абсцисс. В соответствии с уравнением зависимости тренда: i = 0.0215ф, величина скорости гидратации 0.0215 г/гс Константу скорости набухания рассчитывали по формуле, полученной интегрированием уравнения 4:

где k - константа скорости набухания (с^-1);ѕЕРД - максимальная (предельная) степень набухания (г/г); ф - время (с).

Расчет k проводили к каждому отрезку времени по формуле 6, а затем определяли среднюю величину (табл. 2). Анализ кинетических расчетов показал, что процесс набухания биополимеров ПКС в водопроводной воде протекает с достаточно большой скоростью (kб=0.0090, с^-1). Также вы- яснено, что время контакта полимера с растворителем, за которое достигается предельная степень набухания достаточно короткое (10-15 мин), что свидетельствует о гидрофильной природе компонентов, входящих в состав объекта и подтверждает наличие активного взаимодействия входящих биополимеров ПКС с водой.

Таблица 2.

Значения констант скорости набухания ПКС в водопроводной воде (рН 7.1)

Подтверждением полученных выводов также являются результаты калориметрических опытов, представляющие собой изменение температуры калориметрической системы при набухании объекта в воде (рис. 1), которые позволили рассчитать удельную теплоту набухания (АН) и массу воды (х), связанной единицей массы полимера по методике, приведенной выше. Тепловое значение калориметра (С_к) и изменение температуры в главном периоде набухания объекта были найдены опытным путем и равнялись соответственно С_к = 755 Дж/К, ДT = 0.172 ^оС. ”

Тогда теплота набухания исследуемого объекта массой 1 г составила:

А масса воды, связанной единицей массы полимера:

Процесс набухания протекает с достаточно высокой скоростью (k_cp = 0.0056, с^-1). За достаточно небольшое время контакта время образца с растворителем (10-15 мин) в общей массе поглощенной жидкости i_maч (4.48 г/г) массовая доля связанной воды составила 8.7 %, что составляет достаточно высокий процент и свидетельствует о проявлении хорошей гидрофильной природы ПКС. Данный фактор благоприятно влияет на структурно-механические и реологические показатели пищевой системы. Включение исследуемого объекта в рецептуры продуктов растительного и животного происхождения позволит увеличить в них содержание влаги, что способствует образованию более однородной массы и регулированию консистенции технологического продукта, а также образованию более пористых структур после термической обработки. Способность ПКС активно сорбировать и удерживать влагу благоприятно сказывается на процессе хранения полуфабрикатов и готовой продукции.

Рис. 1. Температурный ход калориметрического опыта набухания ПКС в водопроводной воде (рН 7.1) при Т = 20 ± 2оС

Также в работе изучали влияние рН среды на кинетические характеристики набухания образцов ПКС. Выбор рН осуществлялся на основании кислотности реальных технологических объектов. Известно, что в соках, газированных и кисломолочных напитках рН меняется в диапазоне 2-4, в мясных и молочных продуктах -- 4-7, в овощах и овощных бульонах 8-9 [8-11]. Нами опытным путем были получены кинетические зависимости степени набухания от времени контакта образца с растворителем при различных значениях рН. Вид и характер зависимостей во всем интервале изменения рН растворов, свидетельствовал о наличии ограниченного механизма набухания образцов ПКС. Равновесие в системах также устанавливалось в течение 10-15 мин, а степень набухания к этому времени достигала максимального значения и далее не менялась с увеличением времени контакта.

Результаты опытов были аппроксимированы уравнениями первого порядка, также были произведены расчеты основных характеристик набухания объекта в растворах с разным значением рН аналогично, как указано выше. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Кинетические показатели набухания образцов ПКС при разных значениях рН

Анализ результатов показал достаточно высокие гидрофильные свойства пищевых волокон ПКС в исследуемом интервале рН среды. Предельная степень набухания достигала значений 2.3-3.3 г воды на 1 г полимера в зависимости от рН раствора (табл. 3). Установлено, что наибольшее значение предельной степени набухания наблюдается в растворах в нейтральной, слабощелочной и щелочной среде. Другими словами, так как технологические среды имеют аналогичную кислотность, изучаемый объект целесообразно применять в пищевой отрасли.

Полученный результат полностью зависит от свойств веществ, входящих в состав ПКС (табл. 1), а также от изоэлектрических точек (ИЭТ) белков и аминокислот, присутствующих в объекте. Известно, что в изоэлектрическом состоянии полиамфолитов заряды функциональных групп положительного и отрицательного знака чередуются в определенной последовательности вдоль пептидной цепи, что способствует сжатию и даже скручиванию ее в глобулу [5-7]. В этой области рН степень набухания и предельная степень набухания ПКС незначительно снижается. Индивидуальные значения ИЭТ белков и аминокислот, входящих в состав ПКС известны: альбумин - 4.7; глобулин -6.5; проламины - 4.5-5.5; глютелины - 5.9; лейцин, изолейцин - 6.0; треонин - 4.5-5.5. Ввиду того, что в составе объекта преобладают полиамфолиты, ИЭТ которых находится в кислой среде: альбумины, проламины, глобулины и др. (табл. 1), в растворах с рН 4 наблюдается некоторое снижение i_maч до значения 2.29 г воды на 1 г полимера (табл. 2). В этой области рН происходят структурные изменения макромолекулы белков и аминокислот, наличие одинакового количества катионных и анионных групп способствует с одной стороны изменению пространственной структуры белка, происходит конформация полипептидной цепи, с другой стороны заряд молекулы стремится к нулю. В результате макромолекула белков сворачивается в глобулу, а гидратные слои связанной воды при этом разрушаются. В конечном итоге конформационные изменения и нулевой заряд молекулы полимера в ИЭТ ослабевают действие кулоновских сил электростатического притяжения между полимером и молекулами воды, что затрудняет проникновение растворителя в матрицу биополимера и снижает максимальную степень набухания. Процесс набухания ПКС протекает с достаточно высокой скоростью во всем диапазоне изменения рН, о чем свидетельствуют значения констант скорости (0.0096-0.014 с-1), а также существенная величина средней скорости гидратации - 0.02 г/г-с.

Высокие гидрофильные свойства ПКС во всей области исследуемой рН были также подтверждены калориметрическими опытами, связанными с измерением удельные теплоты набухания (ДH) фракций ПКС и расчетом массы гидратной воды (Хгв), поглощенной компонентами ПКС на стадии гидратации, а также определением в общей массе поглощенной жидкости массовой доли связанной воды (^гв) в растворах с разным значением рН. Результаты расчетов приведены в табл. 4.

Как показали результаты наших исследований, первая стадия набухания - гидратация протекает как слабая экзотермическая реакция с выделением теплоты (теплота набухания), причем выяснено, что количество гидратной воды в ПКС пропорционально теплоте набухания. То есть чем выше тепловой эффект гидратации, тем больше масса связанной воды, приходящейся на единицу массы полимера. Второй этап набухания - осмотическая стадия сопровождается поглощением свободной воды, в результате которой заполняются пустоты в каркасе полимера, протекает без ощутимого изменения энергии. Поэтому массу связанной воды определяли по теплоте набухания как описано выше [5-7].

Таблица 4.

Термодинамические характеристики набухания ПКС

Результаты по влиянию рН раствора на массу связанной воды практически повторяют аналогичные зависимости для максимальной степени набухания. Минимальные значения этих величин наблюдались в области рН близкой к ИЭТ биополимеров, входящих в состав ПКС (рН 4-6). Наибольшее содержание гидратной воды в общей массе поглощенной жидкости установлено в нейтральной среде (при рН 6.86 ее доля составила 13.5 %).

На следующем этапе нами были проведены исследования по изучению водосвязывающей способности ПКС в технологическими средах. В качестве растворителей использовали технологические среды, широко применяемые в мясной, рыбной, молочной отраслях пищевой промышленности (мясные бульоны, растворы поваренной соли, сыворотка и др.). В качестве технологических сред использовали растворы хлорида натрия и сахарозы с массовой долей вещества 1.5 % и рН 6.7-7.0. В качестве белковых растворов использовали сыворотку творожную (рН 4.5), молоко пастеризованное торговой марки «Богдаша» (жирность 2.5 %, рН 6.67) и мясной бульон из говядины (рН 6.50). Выбор указанных сред в растворах был обоснован среднестатистическими данными содержания этих веществ в водных фракциях рыбного, мясного и растительного сырья (супах, бульонах, морсах), традиционно применяемых на предприятиях общественного питания [8-11, 19-20].

Следует отметить, что в составе сырья преобладают белки разной природы, которые как указывалось ранее, являются полиамфолитами и поэтому способны к гидратации и конформационным изменениям при изменении температуры и состава среды, что в значительной степени влияет на гидрофильные свойства используемого сырья и конечного продукта. Изначально объекты мясного, рыбного и молочного сырья характеризуются высоким содержанием влаги, которая в значительной мере уменьшается при термической обработке вследствие денатурации и дегидратации входящих в состав белков. В результате возникают нежелательные технологические потери, которые можно существенно снизить при внесении в пищевые массы водосвязывающих компонентов, в данном случае в этом аспекте мы рассматриваем свойства ПКС.

Кинетические характеристики набухания объекта в технологических средах определяли в соответствие с методикой и алгоритмом решений, приведенных выше. По полученным данным определены и построены кинетические зависимости, степени набухания образцов ПКС в технологических средах (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость степени набухания образцов ПКС от времени в технологических средах при температуре 20±2 °C

Анализ результатов позволяет утверждать, что кинетические кривые степени набухания образцов в разных технологических средах отличаются. Наименьшая степень набухания (рис. 2) наблюдается в творожной сыворотке (нижняя кривая), где ее величина не превышает значение 1.5 г воды на 1 г полимера, это связано с кислой средой (рН 4.5) раствора творожной сыворотки соответствующей ИЭТ белков, входящих в состав набухающих образцов. Вид кинетических кривых набухания в технологических средах аналогичен кривым в чистом растворителе и соответствовал ограниченному характеру набухания объекта. Оптимальное время набухания составило 5-20 минут и последующий контакт образца с растворителем был нецелесообразен ввиду достижения равновесия и максимальной степени набухания. Результаты расчетов приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Физико-химические характеристики набухания ПКС в технологических средах

Согласно полученным данным, предельная степень набухания объекта достаточно велика и изменяется в пределах 1.33-3.28 г/г (табл. 4). В растворах сахарозы (3.28 г/г) и хлорида натрия (2.70 г/г) i_mч выше, немного меньше в бульоне (2.57 г/г), молоке (2.61 г/г) и минимальная (1.33 г/г) в растворах сыворотки творожной (табл. 5). Как предполагалось ранее, кислая среда творожной сыворотки (рН 4.5) способствует переходу белковых фракций (альбумин, проламин) в изоэлектрическое состояние и как следствие изменение пространственной структуры белка, скручивание их макромолекул в глобулы, что способствует снижению гидрофильных свойств и предельной степени набухания образцов ПКС.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По результатам исследований установлено, что процесс набухания ПКС протекает с высокой скоростью в растворах с рН 4.0-9.0, о чем свидетельствовали значения констант скорости гидратации (табл. 2). Растворитель проникает в пустоты каркаса полимера с наибольшей скоростью в нейтральной среде (рН 6.86) и значении рН удаленной от ИЭТ (табл. 2). Вероятно, в изоэлектрическом состоянии вследствие конформации и утраты суммарного заряда макромолекул, происходит сжатие объема матрицы биополимера и частичное разрушение гидратных слоев, средняя скорость процесса и скорость гидратации при этом незначительно снижаются. Незначительное снижение средней скорости процесса наблюдается в области, удаленной от ИЭТ, в кислой и щелочной средах, несмотря на достаточно большую величину предельной степени набухания (табл. 2). Скорее всего, в результате воздействия агрессивной среды, разрушаются внутренние связи в матрице полимера, и происходит высвобождение заряженных звеньев ВМС, которые образуют мицеллярные структуры, внутри которых распределяется выделившаяся вода [5-7]. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемый объект, способствует повышению водосвязывающих и водоудерживающих свойств пищевых масс различного происхождения, с той лишь разницей, что при введении ПКС в пищевые продукты с слабокислой и нейтральной средой (мясной фарш, молоко, тесто) вода поглощается в большем количестве, чем для объектов с кислой средой (сыворотка, творог, томатные пасты).

Общая скорость набухания в технологических средах достаточно велика, константа скорости меняется незначительно (0.014-0.020 с^-1), что можно объяснить влиянием компонентов технологического раствора на гидрофобные взаимодействия в системе. Присутствие в растворах минеральных солей, растворимых белков и других компонентов в виде экстрактивных веществ, снижают межмолекулярные взаимодействия в матрице набухающих полимеров и тем самым, увеличивают скорость проникновения воды в структуру образцов ПКС, повышая их гидратационную активность. Что, безусловно, свидетельствует о перспективности применения ПКС в виде обогащающей добавки в мясные, рыбные, молочные и растительные пищевые массы [12-20]. Процесс гидратации биополимеров в технологических средах протекает достаточно активно, но в меньшей степени, чем в водопроводной воде. Наибольшая масса связанной воды наблюдается в образцах, набухающих в растворе сахарозы и поваренной соли, что вызвано, вероятно, присутствием в растворе минеральных веществ, которые ослабляют структурные связи ВМС. Растворы исследуемых составов по способности к гидратации можно расположить в следующий убывающий ряд, xг.b., г/г: раствор сахарозы (0.21 г/г), раствор поваренной соли (0.19), бульон мясной (0.17), молоко (0.15) и сыворотка творожная (0.13).

Полученные данные калориметрических экспериментальных исследований подтвердили высокие гидрофильные свойства ПКС. Наибольшее содержание связанной воды в общей массе поглощенной жидкости было установлено в нейтральной среде, при этом в кислых и щелочных средах доля гидратной воды уменьшалась практически в 2-3 раза (табл. 4). Гидратная вода прочно связана с функциональными группами полимера водородными связями и имеет более низкую температуру замерзания, чем свободная вода, более высокую вязкость и низкую растворимость в ней солей. В отрасли питания гидратная вода оказывает положительное влияние на пищевые объекты разной природы. Связанная вода не выделяется из пищевых продуктов при сильном механическом воздействии, чем больше гидратной воды в пищевых системах, тем сложнее при механических воздействиях выделить ее в свободное состояние. При этом, в процессах технологической обработки сырья, связанная вода ведет себя как свободная, ее можно удалить при термической обработке и превратить в лед при замораживании, что очень удобно в условиях производственного процесса [6-7]. Другими словами, включение ПКС в пищевые объекты повышает их способность удерживать как свободную, так и связанную воду, что положительно влияет на срок их годности, способствует повышению устойчивости пищевых волокон (мышечных тканей) к воздействию температурных изменений при замораживании и оттаивании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенных исследований были выявлены и подтверждены кинетическими и термодинамическими характеристиками высокие гидрофильные свойства исследуемого объекта. Полученные результаты позволяют рекомендовать ПКС для использования в технологиче ских процессах, связанных с регулированием структурно-механических и реологических свойств (упругости, вязкости, плотности, консистенции) пищевых систем. Выяснено, что процесс набухания в технологических средах протекает с большой скоростью и достигает предельной степени набухания во всех исследованных средах, кроме того, присутствие в растворе минеральных веществ, белков и других растворенных компонентов не снижает гидрофильных свойств ПКС. Установлено оптимальное время контакта образца с растворителем, что позволяет прогнозировать время набухания пищевой пасты при разработке технологии производства конкретного ассортимента продуктов. Полученные результаты позволяют рекомендовать применение ПКС в системах, состав которых близок к изученным. Учитывая, что в результате необходимых производственных процессов на предприятиях питания происходит существенное снижение влажности перерабатываемого животно-растительного сырья, неизбежно приводящее к технологиче ским и экономическим потерям, применение ПКС в качестве водоудерживающего компонента при соблюдении основной задачи повышения пищевой ценности может быть весьма перспективным. Данные могут быть применены при проектировании рецептур и разработке технологий пищевых продуктов с увеличенным сроком годности, для персонализированного питания и специального назначения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Криштафович В.И., Маракова А.В., Сур- жанская И.Ю. // Мясная индустрия. 2011. № 5. С. 48-51

3. Рудаков О.Б., Рудакова Л.В. // Переработка молока. 2019. № 12. С. 32-35.

4. Шульгин Р.Ю., Приходько Ю.В., Шульгин Ю.П. //Техника и технология пищевых производств. 2014. № 4. С.81-86.

5. Бондарева Л.П., Мастюкова Т.В. // Лабораторный практикум по физической и коллоидной химии. 2018. С.114.

6. Нечаев А.П. // Учебник. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://e.lanbook.com/ book/69876. - Загл. с экрана.

7. Гельфман М.И. // Учебник. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://e.lanbook.com/ book/91307. - Загл. с экрана.

8. Сборник рецептур для предприятий общественного питания // Учебник. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https:// http://padabum. com/d.php?id=42166. - Загл. с экрана.

9. СанПиН 2.3.2.1293-03 «Гигиениче ские требования по применению пищевых добавок», 2003.

10. СанПиН 42-123-5777-91 «Санитарные правила для предприятий общественного питания», 1991.

11. ТР ТС 021/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции», 2011.

12. Рудаков О.Б., Рудакова Л.В. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2020. № 1. С. 8-21.

13. Намсараева З.М., Хамнаева Н.И., Олмоева

A. Д. // Вестник ВСГУТУ. 2017. № 1. С. 53-61.

14. Никонович Ю.Н., Тарасенко Н.А. // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2014. № 5. С. 27-32.

15. Алексеева Т.В., Калгина Ю.О., Родионов А.А. // Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. № 4. С. 133-138.

16. Хвыля С.Е., Габараев А.А., Пчелкина В.А. // Техника и технология пищевых производств. 2013. № 2. С. 71-75.

17. Елисеева Л.И., Мартынов А.А., Гоголева П.А. //Sciences of Europe. 2019. № 37. С. 3-11

18. Эшбоев Ф.Б.У., Юсупова Э.Г., Пякина Г.А. и др. // Universum: химия и биология. 2019. Т. 65. № 11-1. С. 62-65.

19. Алексеева Т.В., Калгина Ю.О., Фурсова А.П. // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. 2020. № 1. С. 31-37.

20. Родионова Н.С., Алексеева Т.В., Соколова О.А. // Актуальная биотехнология. 2014. № 2. 7-9.

REFERENCES

2. Krishtafovich V.I., Marakova A.V., Surzhanskaya I.YU. Myasnaya industriya, 2011, No. 5, pp. 48-51.

3. Rudakov O.B., Rudakova L.V. Pererabotka moloka, 2019, No. 11, pp. 32-35. DOI: 10.33465.22225455-2019-12-32-35

4. Shul'gin R.YU., Prikhod'ko YU.V., Shul'gin YU.P. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv, 2014, No. 4, pp.81-86.

5. Bondareva L.P., Mastyukova T.V. Laboratornyy praktikum po fizicheskoy i kolloidnoy khimii, 2018, pp.114.

6. Nechayev A.P. Uchebnik. [Elektronnyy resurs]: Rezhim dostupa: https://e.lanbook.com/book/69876. -Zagl. s ekrana.

7. Gel'fman M.I. Uchebnik. [Elektronnyy resurs]: Rezhim dostupa: https://e.lanbook.com/book/91307. - Zagl. s ekrana.

8. Sbornik retseptur dlya predpriyatiy obshchestvennogo pitaniya // Uchebnik. [Elek- tronnyy resurs]: Rezhim dostupa: https:// http:// padabum.com/d.php?id=42166. - Zagl. s ek-rana.

9. SanPiN 2.3.2.1293-03 «Gigiyenicheskiye trebovaniya po primeneniyu pishchevykh dobavok», 2003.

10. SanPiN 42-123-5777-91 «Sanitarnyye pravila dlya predpriyatiy obshchestvennogo pitaniya», 1991.

11. TR TS 021/2011 Tekhnicheskiy reglament Tamozhennogo soyuza «O bezopasnosti pishchevoy produktsii», 2011.

12. Rudakov O.B., Rudakova L.V. Sorbtsionnyye i khromatograficheskiye protsessy, 2020, No. 1, pp. 8-21. DOI: https://doi.org/10.17308/ sorpchrom.2020.20/2375

13. Namsarayeva Z.M., Khamnayeva N.I., Olmoyeva V.D. Vestnik VSGUTU, 2017, No. 1, pp. 53-61.

14. Nikonovich YU.N., Tarasenko N.A. Izvestiya VUZov. Pishchevaya tekhnologiya, 2014, No. 5, pp. 27-32.

15. Alekseyeva T.V., Kalgina YU.O., Rodionov A.A. Izvestiya VUZov. Prikladnaya khi-miya i biotekhnologiya, 2016, No. 4, pp. 133-138.

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-133-138

16. Khvylya S.Ye., Gabarayev A.A., Pchelkina V.A. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proiz- vodstv, 2013, No. 2, pp. 71-75.

17. Yeliseyeva L.I., Martynov A.A., Gogoleva P.A. Sciences of Europe. 2019, No. 37, pp. 3-11

18. Eshboyev F.B.U., Yusupova E.G., Pyakina G.A. Universum: khimiya i biologiya, 2019, Vol. 65, No. 11-1, pp. 62-65.

19. Alekseyeva T.V., Kalgina YU.O., Fursova A.P. Tekhnologiya i tovarovedeniye inno-vatsionnykh pishchevykh produktov, 2020, No. 1, pp. 31-37.

20. Rodionova N.S., Alekseyeva T.V., Sokolova O.A. Aktual'naya biotekhnologiya, 2014, No. 2, pp. 7-9.

Размещено на Allbest.ru