CC BY
58
УДК 633:[637.345:577.122.2]
А.В. Крупин
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПЕКТИНА НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ
В СВЯЗИ С ПРОИЗВОДСТВОМ НАПИТКОВ
Изучено влияния пектина на закономерности гидролиза лактозы в связи с производством напитков. Исследованы основные свойства пектиновых веществ. Подробно освещено изменение реакционноспособных групп пектина при гелеобразовании молочной сыворотки. Показано влияние активной и титруемой кислотности на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина. Определено влияние ионов кальция на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина.
Молочный напиток, пектин, активность, гелеобразование, напряжение сдвига.
Одним из наиболее эффективных гелеобразова-телей является пектин различного происхождения, полученный из пектинсодержащего сырья (яблочных выжимок, жома свеклы и т.д.). Его можно использовать в качестве уплотнителя, стабилизатора и эмульгатора. Многообразный спектр проявления технологических свойств обуславливает его широкое применение в промышленности.
Пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином. В понятие «пектиновые вещества» входят гидрато-пектин (растворимый пектин), протопектин (нерастворимый в воде пектин), пектиновые кислоты и пек-тинаты, пектовые кислоты и пектаты. Основным структурным признаком пектиновых веществ являются линейные молекулы полигалактуроновой кислоты, в которой мономерные звенья связаны а-1,4-гликозидной связью. В зависимости от вида сырья пектин имеет различные органолептические и физико-химические показатели.
Основными свойствами пектиновых веществ, которые определяют область применения в пищевой промышленности, служат студнеобразующая и комплексообразующая способности. Студнеобразующая способность пектина зависит от ряда факторов: молекулярной массы, степени этерификации, количества балластных по отношению к пектину веществ, температуры и pH среды, содержания функциональных групп. Установлено, что в свекловичном пектине присутствуют группы, связанные сложноэфирной связью с боковыми цепями нейтральных сахаров. Использование персульфата аммония или перекиси водорода приводит к повышению истинной молекулярной массы растворимых пектинов и образованию прочного студня. Такие гели обладают высокой водоудерживающей способностью и находят применение в пищевой промышленности.
Исследовано влияние пектина на изменение реологических свойств молочной сыворотки, происходящих в результате ее гелеобразования (рис. 1).
Анализ полученных результатов позволяет установить, что реологические свойства сывороточнопектиновых гелей характеризуются промежуточным положением между жидкими и твердыми телами, приближаясь к тем или другим в зависимости от сте-
пени развития и прочности структурной сетки, а также скорости сдвигающей деформации.
500
400
300
200
100
0
4 3 2 1
л /
X
'л' 'лг' Ж"
У-"
0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8
Массовая доля пектина, %
91
Рис. 1. Влияние пектина на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с массовой долей сывороточных белков: 1 - 0,6 %; 2 - 0,7 %; 3 - 0,8 %; 4 - 0,9%.
Отмечено, что как с увеличением массовой доли гелеобразователя, так и сывороточных белков происходит укрепление структуры геля - максимальным значением предельного напряжения сдвига на уровне 500 Па характеризуются гели с массовой долей сывороточных белков 0,6; 0,7; 0,8 и 0,9 % и концентрацией пектина 1,6; 2,0; 2,4; 2,8 %, соответственно. Установленную закономерность можно объяснить участием реакционных групп пектина в построении трехмерного матрикса. Данный тезис подтверждается снижением свободных реакционных групп гелеобразователя (таблица 1).
Несмотря на то, что в абсолютном содержании доля метоксильных групп на порядок превосходит долю ацетильных групп, в процессе гелеобразования сыворотки обе реакционные группы принимают активное участие, поскольку в относительном содержании их концентрация снижается, и в геле с массовой долей пектина 2,8% достигает значений 53,59-52,83%.
Из этого можно заключить, что, во-первых, ме-токсильные и ацетильные группы пектиновых веществ имеют статистический тип распределения вдоль цепи макромолекул, а, во-вторых, начало процесса гелеобразования происходит равномерно по всему объему системы.
Учитывая, что физико-химические свойства сыворотки зависят от присутствия веществ, обладающих кислыми свойствами, проведена оценка участия
ее физико-химических свойств в гелеобразовании (таблица 2).
Таблица 1
Изменение реакционноспособных групп пектина при гелеобразовании молочной сыворотки
Массовая доля пектина, % Доля групп, %
метоксильных ацетильных
абсолютное относительное абсолютное относительное
0,0 7,52 100,00 0,53 100,00
0,4 7,30 97,07 0,51 96,23
0,8 7,00 93,09 0,47 88,68
1,2 6,26 83,24 0,40 75,47
1,6 6,04 80,32 0,36 67,92
2,0 5,24 69,68 0,33 62,26
2,4 4,70 62,50 0,30 55,60
2,8 4,03 53,59 0,28 52,83
Таблица 2
Влияние активной и титруемой кислотности на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке
с различной массовой долей пектина
Кислотность Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле пектина, %
титруемая, оТ активная, рН
0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
45 5,52 86 115 160 226 304 390 493
50 5,35 91 123 172 241 318 417 518
55 5,21 99 131 183 263 340 439 530
60 5,13 108 137 196 279 356 452 547
65 5,02 117 144 210 295 375 470 562
70 4,96 125 153 221 317 402 498 580
75 4,80 134 162 239 333 418 513 599
80 4,69 143 170 252 356 439 527 614
Доказано, что с увеличением кислых свойств сыворотки прочность сывороточно-пектиновых гелей возрастает. В результате проведенных экспериментов установлена следующая особенность: с увеличением концентрации ионов водорода темп повышения прочности гелей снижается. Так, при рН 5,52 и повышении концентрации гелеобразователя с 0,4 до 2,8 % значение предельного напряжения сдвига в геле возросло в 5,73 раза, а при рН 5,35; 5,21; 5,13; 5,02; 4,96; 4,80 и 4,69 аналогичное увеличение прочности составило 5,69; 5,35; 5,07; 4,80; 4,64; 4,47 и 4,29 раза соответственно.
Установленный факт не противоречит литературным данным и объясняется диссоциацией карбоксильных групп молекул гелеобразователя с последующим образованием дополнительного количества водородных связей, оказывающих положительное влияние на процесс гелеобразования. Снижение темпов роста прочности сывороточно-пектиновых гелей с позиции диссоциации молекул гелеобразователя объясняется недостатком ионов водорода, являющихся инициатором диссоциации реакционно-способных групп пектина.
Особенность пектиновых веществ состоит в том, что они обычно способны образовывать устойчивые, необратимо разрушающиеся в результате сдвигаю щей деформации гели, только в водных растворах сахаров. Из всех гелеобразователей в большей степени свои гелеобразующие свойства от присутствия сахаров проявляют именно пектины. В этой связи изучено влияние сахарозы на процесс гелеобразова-
ния молочной сыворотки. Результаты исследований приведены в таблице 3.
Таблица 3
Влияние сахарозы на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина
Массовая доля сахарозы, % Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле пектина, %
0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
0,0 86 115 160 226 304 390 493
10,0 129 195 247 311 379 456 519
20,0 158 218 269 336 391 482 526
30,0 196 234 290 368 416 512 552
40,0 230 256 318 388 425 540 586
50,0 259 289 334 405 441 562 599
60,0 280 306 351 429 470 585 617
Предельное напряжение сдвига, повышающееся в результате увеличения массовой доли сухих веществ, отражает динамику прочностных свойств сывороточных дисперсий под влиянием свойств пектина. Из представленных данных следует, что гелеобразующие свойства пектина связаны с его гидрофильно-стью: сахароза изменяет степень сольватации молекул гелеобразователя за счет сорбции на себя диполей воды посредством водородных связей с образованием неустойчивой межфазной поверхности. Подоб-
ное целенаправленное снижение доли свободной влаги является фактором упрочнения геля. Присутствие сахарозы по сравнению с ионами водорода, в большей степени оказывает влияние на процесс гелеобра-зования. Если предположить, что между пектином и сахарозой отсутствует необратимое химическое взаимодействие, то увеличение прочности геля можно также связать с повышением вязкости растворителя (сыворотки) в результате увеличения массовой доли сухих веществ.
Одним из важнейших свойств пектинов является способность к комплексообразованию. В его основу положено взаимодействие заряженных молекул геле-образователя (например, карбоксильных групп) и ионов металлов. В результате подобного взаимодействия возможно образование устойчивых сывороточно-пектиновых ионно-связанных гелей. Проведена оценка способности пектина вовлекать ионы кальция и магния, содержащиеся в молочной сыворотке, в процесс образования структуры геля. Результаты исследований представлены в таблице 4.
Таблица 4
Доказано, что гелеобразующая способность с повышением концентрации как пектина, так и ионов кальция увеличивается. Установленные закономерности коррелируют с результатами исследований, приведенных в таблице 4: для формирования устойчивых
гелеобразных сывороточных систем возможно снижение массовой доли пектина с одновременным увеличением концентрации ионов кальция.
В результате анализа полученных результатов выявлено снижение концентрации ионов кальция и магния в сывороточно-пектиновом геле с одновременным увеличением его прочности, причем в большей степени это относится к кальцию, поскольку массовая доля свободного кальция снижается в 8,0 раз, что в 2,7 раза больше, чем ионов магния, концентрация которых снижается в 2,9 раза. Указанную закономерность можно оценить как дополнительный положительный фактор, который будет оказывать влияние на процесс структурообразования.
В этой связи интересен факт, дополнительно иллюстрирующий поведение молочной сыворотки в модельных условиях под воздействием ионов кальция, внесенных в виде растворимых солей (таблица
5).
Таблица 5
Влияние ионов кальция на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина
Массовая доля пектина, % Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле ионов Ca2+, мг/100 г
60 90 120
0,4 86 95 114
0,8 115 127 152
1,2 160 170 185
1,6 226 248 271
2,0 304 332 356
2,4 390 429 467
2,8 493 530 558
Обобщая результаты приведенных исследований, отметим, что общими факторами гелеобразования сыворотки при использовании яблочного пектина являются массовая доля сахарозы, состав и свойства сыворотки, массовая доля гелеобразователя и факторы, производные от указанных величин - вязкость, состояние влаги в геле.
Изменение массовой доли ионов кальция и магния при гелеобразовании молочной сыворотки
Массовая доля пектина, % Массовая доля свободных (не связанных с пектином) ионов, мг/100 г
всего Ca2+ и Mg2+ Ca2+ Mg2+
0,0 60±2,96 40±2,00 20±0,96
0,4 50±2,48 32±1,58 18±0,90
0,8 39±1,93 24±1,20 15±0,73
1,2 31±1,54 19±0,94 12±0,60
1,6 24±1,17 14±0,67 10±0,50
2,0 20±0,98 11±0,54 9±0,44
2,4 15±0,71 7±0,32 8±0,39
2,8 12±0,60 5±0,29 7±0,31
Список литературы
1. Алиева, Л.Р. Разработка технологии напитков из молочной сыворотки с применением хитозана: авто-реф. дис... канд. техн. наук: 05.18.04: защищена 20.05.03 / Алиева Людмила Руслановна. - Ставрополь, 2003. -19 с.
2. Антипова Л.В. Прикладная биотехнология / Л.В. Антипова, И.А. Глотова, А.И. Жаренов. - Воронеж, 2000. - 332 с.
3. Волкова, Т.А. Газированные напитки на основе молочной сыворотки / Т.А. Волкова, Э.Ф. Кравченко // Современные технологии пищевых производств нового поколения и их реализация на предприятиях АПК: тезисы докладов научно-практической конференции.- Углич. - 2000. - С. 90-92.
4. Липатов Н.Н. Комплексные подходы и результаты совершенствования методологии математического моделирования биологической адекватности белковых компонентов продуктов специального и детского питания / Н.Н. Липатов, Ю.Г. Сажинов, Е.И. Титов // В кн. «Научное обеспечение молочной промышленности»: Сборник научных трудов ВНИМИ. - М., 2000. - С. 25-31.
ООО ХК «СДС-Алко», 650066, Россия, г. Кемерово, пр. Октябрьский, 53/2
SUMMARY
A.V. Krupin
The analysis of influence of pectin on law of hydrolysis of lactose in connection with manufacture of drink
It is studied influences of pectin on laws of hydrolysis of lactose in connection with proiz-vodstvom drinks. The basic properties of pectinaceous substances are investigated. Change reac-tionary ability pectin groups is in detail shined at gel formation dairy whey. Influence active and titr is shown acidity on limiting pressure of shift in dairy whey with a various mass fraction of pectin. Influence of ions of calcium on limiting pressure of shift in dairy whey with a various mass fraction of pectin is defined.
Dairy drink, pectin, activity, gel formation, pressure of shift
