CC BY
37
Наведет результати дослiджень ступеню зв'язування води комплексними гелями альгта-ту натрю i пектину. Встановлено, що так гелi мають бшьшу кшьтсть зв'язаног вологи i вели-ку енергю активаци у порiвнянт з однокомпо-нентними системами зазначених гiдроколоiдiв. Це тдтверджуе утворення додаткових зв'язтв мiж макромолекулами альгтату i пектину i пояснюе змщнення iх гелевоi ытки
Ключовi слова: зменшення вм^ту цукру, пек-тини, альгтат, комплекси полiсахаридiв, синер-
гiзм, термогравиметричний аналiз гелiв
□-□
Приведены результаты исследований степени связывания воды комплексными гелями аль-гината натрия и пектина. Установлено, что такие гели имеют большее количество связанной влаги и большую энергию активации по сравнению с однокомпонентными системами указанных гидроколлоидов. Это подтверждает образование дополнительных связей между макромолекулами альгината и пектина и объясняет упрочнение их гелевой сетки
Ключевые слова: уменьшение сахаросодержа-ния, пектины, альгинат, комплексы полисахаридов, синергизм, термогравиметричний анализ гелей
УДК 664.143 : 664.685.6
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.6574в|
досл1дження ступеню
зв'язування води
в гелях пектину i альг1нату натр1ю
I. О. Соколовська
Кандидат техшчних наук, асистент* E-mail: ia_sokolovskaya@mail.ru Ю. В. Камбулова Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: kambulova.julya@yandex.ua Н. О. Оверчук Астрант* E-mail: myatnaya15@gmail.com *Кафедра технологи хлiбопекарських i кондитерських виробiв Нацюнальний уыверситет харчових технолопй вул. Володимирська, 68, м. КиТв, УкраТна, 01601
1. Вступ
Невтшт статистичш даш та прогнози лiкарiв щодо нарощування темтв розвитку хвороб, пов'яза-них з порушеннями обмшу речовин, особливо ожи-ршням, цукровим дiабетом, слугують поштовхом для зниження цукромшткосп харчових продукпв. На-самперед, це стосуеться кондитерських виробiв, для яких цукор е основною сировиною i значною часткою всiх рецептур. Тому, робота практично вах вiдомих свiтових органiзацiй харчування (Conference for Food Protection, Institute of Food and Agricultural Sciences, Institute of Food Technologists, International Association for Food Protection, International Food Information Council, International Life Sciences Institute i ш.) спрямована на удосконалення технолопчних схем кондитерських виробiв i зниження юльюсного вмшту в рецептурах «дальних цукр1в» (за визначенням ВООЗ до «дальних цукр1в» вщносять всi моно- i дисахариди, що внесет у продукт при виробництвь При цьому не враховуються природш цукри, що вносяться в продукт iз сировиною, наприклад, лактоза в молощ).
Управлiнням харчових продукпв i лiкарських рослин США, за тдтримки Европейськоï асоцiацiï безпеки харчових продукпв, прийнята класифiкацiя виробiв за цукровмiстом. Згiдно класифiкацiï готова продукщя з регульованим вмiстом цукру повинна обов'язково мштити на етикетщ одне з позначень:
- «Low sugar» - 5 г i меньше вах цукрiв на 100 г продукпв;
- «High sugar» - више 22,5 г Bcix цукрiв на 100 г продукпв;
- «Sugar-free» - 0 % «дальних» цукрiв;
- «Less sugar, %» - без цукру.
В Укра1ш низка потужних корпорацiй, таких як Kraft foods, Nestle, Cargill, працюють в напрямку зниження цукромшткосп виробiв. Вони досягли зниження цукру в деяких продуктах на 10..38 %, але питання залишаеться актуальним i потребуе вивчення багатьох технолопчних аспектiв [1, 2].
Насамперед, велик складнощi викликають питання структуроутворення кондитерських мас. Для групи цукристих виробiв сахароза виступае не лише формувачем солодкого смаку, але й забезпечуе струк-турно-мехашчш та фiзико-хiмiчнi показники. I ре-цептурна юльюсть сахарози е головним фактором структуроутворення. Тому, можлившть зменшення сахарози може бути реалiзована лише в тих технолопчних схемах виробiв, в яких формування струк-турно-мехашчних властивостей досягаеться в проце-сi гелеутворення. В такому випадку виршальною у стабiлiзацii структури е роль гелеутворювача, а для розкриття його функщонально-технолопчних властивостей в середовишд створюються спецiальнi умови. Лише в таких масах роль сахарози, як структуроутво-рювального агента, зменшуеться.
Актуальшсть дослщжень полягае у вивченш властивостей зв'язувати i утримувати воду сумiшшю гiдроколоiдiв, а саме пектишв з рiзним ступенем ме-таксилювання i альгiнату натрт. 1х поеднання доз-
©
волить отримувати гелi з структурно-мехашчними властивостями, ввдмшними вiд чистих пектинових або альгшатних гелiв, та, iмовiрно, вищим ступенем зв'язування води. 1з урахуванням отриманих даних можна рекомендувати комплексне застосування ука-заних полiсахаридiв в рецептурах кондитерських ви-робiв. Особливо значущим i актуальним це може бути при формуванш структурно-механiчних властивостей кондитерських мас складно! гелеподiбноi, тногеле-подiбноi та емульсiйно-пiногелеподiбноi структури iз зниженою кiлькiстю цукру.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
При зниженш цукромiсткостi в кондитерських ви-робах драглеподiбноi та пiнодраглеподiбно структури (мармеладу, зефiру, бiлкових заварних кремiв, суфлей-них мас, корпуив для цукерок та iн.) вщбуваеться змiна фiзико-хiмiчних та структурно-механiчних, мь кробiологiчних показникiв. Забезпечити необхiдний рiвень можливо за рахунок застосування тих видiв гелеутворювачiв, що мають вищу гелеутворювальну здатнiсть, або введенням додаткових концентрацп ре-комендованих структуроутворювачiв, або використан-ням поеднання гiдроколоiдiв, яю виявляють синерге-тичну дiю [3].
В технолопях гелеподiбних харчових мас струк-туроутворювальними агентами виступають природш гiдроколоiди, якi отримують iз наземних i морських рослин, мiкроорганiзмiв тощо. Чистота i застосування пдроколодав в харчових системах суворо регла-ментуеться нормативними актами вiдомих мiжнарод-них органiзацiй в областi контролю безпеки харчових продукпв - Joint expert Committee on Food Additives (Об'еднаного комитету експертiв по харчовим добавкам) i Codex Alimentarius Commision (Комiсii Кодекс Алiментарiус).
Проте деяк вiдомi i застосовуванi пдроколощи, наприклад агар, каррагинан, альгiнат натрж, почали використовуватись задовго до розроблення правил '¿х використання i споживання. В умовах сьогодення, глобалiзацii i модернiзацii, попит та перспективи використання пдроколовдв постiйно збiльшуються, що пов'язано зi зростаючим усвiдомленням '¿х важливих функцiональних властивостей i riei ролi, яку вони вь д^рають в харчуваннi i харчових технолопях [4].
Оскiльки головною метою вах виробництв, в тому числi й виробництва кондитерськоi продукцп, е отри-мання якiсного продукту, все вищими стають вимоги до чистоти i технологiчних властивостей iнгредiентiв, в тому чи^ й гiдроколоiдiв. Неустанно поширюеться коло споживачiв, якi надають особливу увагу здоровому харчуванню, зб^ьшуючи попит на «функщональш продукти».
У зв'язку з цим, е дощльним використовувати спектр пдроколодав, що володтть комплексоутво-рювальною здатнiстю, тобто здатшстю вступати у взаемозв'язок iз юнами важких металiв, утворюючи нерозчиннi комплексш сполуки, що виводяться iз оргашзму людини. Дослiдженнями [5, 6] встановле-но, що такими речовинами можуть бути пектини з рiзним ступенем метоксилювання (L-пектин, LA-пек-тин, H-пектин) i водоростевi полшахариди - альгiнат
натрiю, каррагинани, агар i iн. Цi гiдроколоiди о^м функцiонально-технологiчних властивостей гелеутво-рювача, мають властивосп оздоровчоi спрямованостi -е активними детоксикантами, пiдвищують iмунiтет оргашзму, покращують склад кишковоi мiкрофлори, тдвищують мукозальнi бар'ернi властивостi, знижу-ють рiвень глюкози й холестерину в кровi [7]. Тобто, використання указаних полiсахаридiв для стабiлiзацii показникiв якост кондитерських виробiв зниженоi цукромiсткостi е актуальним, перспективним напрям-ком i може бути реалiзованим в рiзних краiнах свiту.
Для дослiджень дощльно використати синергiзм гiдроколо'iдiв, що дозволить не пльки пiдвищити ефек-тившсть '¿х застосування, але й сприятиме зменшенню собiвартостi готово' продукцп. Особливо це важливо в умовах сьогодення, осюльки в Укра'ш виробництво указаних гвдроколовдв не налагоджено i тдприемства використовують iмпортну дорогокоштовну сирови-ну. Синерпзм, взаемодiя двох або б^ьше факторiв, що характеризуеться iстотним перевищенням ефекту спiльного використання компонентiв за окреме '¿х ви-користання, дозволяе створити комплекси з прогнозо-ваними характеристиками, зб^ьшити '¿х технолопч-ний ефект, спростити технолопчш схеми виробництва [8]. Природа синерпзму полягае у взаемодп рiзних за будовою молекул гщроколовдв, хоча чiтке однозначне пояснення мехашзму цього явища вiдсутне. Це не доз-воляе на якiсному рiвнi передбачати структуру склад-них систем i хiмiчну взаемодiю '¿х компонентiв, але при варiюваннi спiввiдношень полiсахаридiв в сумiшi можна регулювати властивосп композицп в цiлому. Саме цей факт дозволяе створювати рiзнi комплекси структуроутворювачiв для рiзних потреб, насамперед для тдвищення в'язкостi продукту та тдвищення його здатностi до утримування вологи.
Серед указаних полiсахаридiв единим прикладом синерпзму, що рекомендований для використання харчовою промисловiстю, е синерпзм мiж пектином i альгiнатом натрт [9, 10].
Поеднанням альгiнату натрж i L-пектину знижу-ють вмкт сухих речовин, необхiдний для гелеутворен-ня i розширюють рН-дiапазон. Автори [11] вiдмiчають, при використаннi альгшату з Н-пектином в гелях фор-муеться бiльш щiльна полiмерна сггка, нiж в гелях з L-пектином. Дослiдники [10] пояснюють синергетичну взаемодт альгiнатiв з пектинами утворенням асощ-ацiй полiсахаридiв в ланцюгах з регулярними посль довностями. В пектинах таю регулярш послiдовностi утворюються залишками полiгалактуроновоi кисло-ти. Альгiнати, в свою чергу, е лшшними полiмерами D-мануроновоi кислоти та L-галактуроновоi кислоти. Структурна подiбнiсть зон з галактуроново' кислоти альгiнатiв та галактуронових ланцюпв пектинiв сприяють '¿х агрегацп. Сильнi гелi утворюе Н-пектин, який мштить великий процент галактуроново' кислоти з альгшатом натрiю. При взаемодп L-пектину з АН в системi повинно знаходитись джерело юшв двова-лентних металiв, необхiдних для зшивання ланцюгiв полiсахаридiв. Поеднання альгшату натрт з високим вмiстом гулуроново' кислоти i L-пектину рекомендовано застосовувати для «холодно'» садки гелеподiбних систем. Гелеутворенню сприяе вщсутшсть у пектинових ланцюпв заряду внаслвдок наявних недисоцшо-ваних карбоксильних груп, що викликае зменшення
сили електростатичного вщштовхування при збшь-шенш ступеню етерифiкацii [9, 10].
Комплекс полiсахаридiв знайшов застосування в технолопях мармеладно-желейних, молочних, кис-ломолочних виробiв, термостабiльних начинок для борошняних кондитерських виробiв [12, 13].
В у«х указаних роботах наводяться результати дослщжень механiзму гелеутворення пектиново-аль-гiнатних гелiв без аналiзу 'х структурно-механiчних властивостей. А саме пружньо-пластичш характеристики змшаних гелiв будуть безпосередньо пов'я-занi вмiстом i ступенем зв'язування води. Тому не вивченими залишаються питання поведшки води в указаних гелях.
Вивчення поведшки води в комплексних системах гвдроколовдв неможливо без знань окремих функщ-ональних властивостей пектишв i альгiнату натрiю, особливостей 'х набухання i в'язкостi розчинiв.
В роботах багатьох авторiв [14, 15] надаеться ш-формацiя щодо функцiонально-технологiчних властивостей альгшату натрж i пектишв, як окремих гщро-колоiдiв, визначений 'х взаемозв'язок з неполярним розчинником. Проведет дослщження щодо процесiв поглинання води, мехашзму набухання й розчинення пектиново-альгшатно' сумiшi [16] не надають повно' картини, тому для розумшня подальших дослiджень слiд проаналiзувати поведшку обраних гiдроколоiдiв з розчинником.
Розчиннiсть пектину обумовлена багатьма факторами - наявшстю розчинних речовин, типом проти-воюшв, iонною силою, значеннями рН i температури. У водi пектин розчиняеться, в спиртових i бiльшостi оргашчних розчинниках - практично нерозчинний. Низькометаксильований пектин розчинний лише у виглядi натрiевоi або калiевоi солей. Проте, за високого вмшту солей, розчиншсть пектину знижу-еться. Покращити '' за цих умов можна введенням комплексоутворювачiв (секвестрантiв, наприклад, пiро- або ортофосфаив). Розчинностi також сприяе тдвищення температури i значення рН поза меж, в яких вщбуваеться гелеутворення. Докладно описаний процес розчинення пектину [17], описаш в'язюс-ш характеристики розчинiв пектину в присутност катiонiв металiв [18]. Так, пектин утворюе в'язк розчини, в'язкiсть яких залежить вщ вмiсту пектину, що особливо помино за його концентрацп вищо' тiеi, за яко' спостертеться стрiмке збiльшення в'язкостi. В'язкiсть також залежить вщ типу пектину, розчин-ника, значень рН, температури й присутност солей. В'язкiсть розчинiв пектишв iз бiльшою молекуляр-ною масою вища за розчини пектишв iз компактною структурою.
Для отримання розчишв альгшату необхвдно дис-пергувати його частинки в данш системi й розчинити. Це здшснюють за допомогою штенсивного перемь шування гiдроколоiду з середовищем або попередньо з'еднав альгшат з шшими харчовими iнгредiентами, як правило, цукром бшим. В'язкiсть розчинiв альгшату визначаеться, насамперед, довжиною його молеку-ли i залежить вiд присутностi солей, цукрiв, одно- i багатоатомних спирив. Наприклад, уведення невелико' юлькост солей кальцiю призводить до рiзкого збiльшення в'язкостi розчину внаслщок часткового i нерегулярного зшивання макромолекул полисахариду.
Цим питанням присвяченi роботи вщомих укра'н-ських вчених [15].
Альгшат запоб^ае розшаруванню нестiйких систем завдяки зб^ьшенню в'язкостi водно' фази й утво-ренню на поверхш роздiлу фаз заряджено' плiвки. Як наслiдок, зникае коалесценцiя дисперсних систем та розшарування фаз. При висушуванш тонкого шару альгiнатного гелю утворюеться плiвка, яка володiе гарною вологоутримувальною здатнiстю та бар'ерни-ми властивостями, це дозволяе контролювати дифузж та форму готового продукту [15].
Таким чином, альгшат натрж i пектин мають схожi механiзми взаемодп з водою i схожий вплив рiзних технолопчних факторiв на процеси ïx розчинення. Вони будуть виступати конкурентами по вщношенню до води i матимуть непередбачуваний результат комплексного розчинення. Вщповщно синергетична вза-емодiя пектишв i альгшату натрж, яка базуеться на процесах водопоглинання й водоутримування також буде залежати вщ багатьох факторiв.
Проте, чим бiльше будуть показники водоутри-мування, тим мщшше й стабiльнiше буде виглядати сггка утвореного гелю. Окрiм цього, характер процесу водоутримування пояснюе змiни в якост продукту пiд час збертння, особливо змiни структурно-меха-нiчниx властивостей (консистенцп), фiзико-xiмiчниx (масово' частки вологи, кислотности густини) та мь кробюлопчних показникiв. В лiтературниx джерелах докладно' шформацп щодо стану води в гелевих системах пектиново-альгшатних комплекав, характеру процесiв утримування вологи в сумшних системах не знайдено. Можна лише передбачити, що поеднання гвдроколодав призводить до зб^ьшення юлькост зв'язано' води. Цей процес потребуе докладного ви-вчення.
3. Цшь та задачi дослiдження
Метою роботи е вивчення ступеню зв'язування води в комплексних гелях пектину й альгшату натрж для ''х застосування в рецептурах кондитерських виро-бiв iз зниженою кiлькiстю цукру бiлого кристалiчного.
В рамках поставлено' мети дослщжень сформульо-ванi основнi завдання:
- провести термогравиметричний аналiз гелевих систем i визначити масову частку зв'язано' води в комплексних гелях полiсахаридiв. Порiвняти отри-манi данi iз аналiзом гелевих систем iз поодиноким застосуванням полiсахаридiв;
- дослiдити актившсть води дослiдних гелевих систем i визначити енергiю '' активацп;
- визначити прогнозований вплив комплексного застосування гiдроколоiдiв на показники якостi готово' продукцп.
4. Об'екти i методики дослщження
При проведеннi дослщжень були використанi 2 %-вi гелевi системи альгiнату натрiю (АН) (ТУ 15544), пектинiв з рiзним ступенем метоксилювання (яблучний низькометоксильований «Purple Ribbon чистий», ступiнь етерифiкацiï 36...40 % (L-пектин);
цитрусово-яблучний низькометоксильований амвдо-ваний <^ЕС|-Л1», стутнь етерифiкацii 35...40 %, сту-шнь амiдування 12...18 % (LА-пектин); цитрусовий високометоксильований <WEC-1», ступiнь етерифь кацп 64...66 % (Н-пектин), за висновками Державноi санiтарно-епiдемiологiчноi служби МОЗ Украши та сертифiкату вiдповiдностi). Для формування комп-лексних гелiв визначенi наступш спiввiдношення концентрацii полiсахаридiв: для комплексу Н-пек-тин:АН - 0,6 %:0,4 %, для комплексу LЛ-пектин:АН -0,3 %:0,8 %, для комплексу L-пектин:АН - 0,3 %:0,8 %. Щ спiввiдношення формують необхiднi структур-но-механiчнi властивостi кондитерських мас, що було визначено попереднiми дослiдженнями [19, 20].
Дослщження кiлькостi вiльноi та зв'язаноi вологи у модельних гелях полiсахаридiв проводили за допомо-гою дериватографа Ц-1500. У дослiдному зразку одно-часно вимiрювали температуру (Т), змшу маси (ТG), швидкiсть змши маси (DТG) та змiну теплоемкоси (DТА) залежно вiд часу [21-23].
За дериватограмами визначали величину втрати маси (Дт) дослiджуваного зразка за вiдповiдноi тем-ператури. На основi отриманих даних будували графiк залежност 1п Дt-1/Т (рис. 1) i результати обчислень використовували для розрахунку енергп активацii.
Рис. 1. Графiчне зображення розрахунку енергп активаци
Енерпю активацii, Е, обчислювали за (1):
(1)
де Я=0,0083 кДж/моль.К - ушверсальна газова стала.
Е = Я ■ Ь,
а
5. Результати дослiджень показниюв зв'язування води в гелевих системах пектину i альгшату натрто
В дисперснiй системi вода може займати 35-99 %. Вщповщно, и ступiнь зв'язаностi з полiмером буде вiдiгравати суттеву роль у формуванш структурно-ме-ханiчних властивостей системи, здшснювати вплив на и поведiнку пiд час зберiгання. Вода мае рiзнi види зв'язку iз високомолекулярними речовинами: вiд самого мщного, обумовленого молекулярними силами, до чисто мехашчного утримування вологи - вологи мжро- i макрокапiлярiв. Зв\язаною вважаеться вода, що розташована на межi подiлу фаз i приеднана до
макромолекул бшку й полiсахаридiв за механiзмом водневого зв'язку. Як правило, це адсорбцшно-зв'язана вода; вона не може бути розчинником для шших речо-вин, мае слабку рухливкть, що обумовлюе здатнiсть систем збертти форму.
Формування просторовоi «тки гелiв полшаха-ридiв здiйснюеться завдяки слабким зв'язкам, яю виникають мiж кiнцями колоiдних частинок (де по-двiйний електричний шар та гщратна оболонка е менш розвинутими), i система подiбно губцi захоплюе молекули води. У випадку утворення гелiв внаслщок поперечних зв'язкiв мiж ланцюгами полiмерiв з фор-муванням сiтчастоi структури, яка утримуе молекули води, систему називають драглем. Хоча рiзниця мiж гелями i драглями досить умовна. Багато вчених схильш розрiзняти гелi стiйкi, що супроводжуються утвореннями тривимiрноi сiтки (так званi <астинш гелi» або «сильш гелi»), i гелi, що мають немiцну ге-леподiбну сiтку, яка легко руйнуеться тд дiею достат-ньо високоi напруги, так званi «слабю гелЬх У роботах [24, 25] запропоновано розрiзняти «слабк гелi», яю отримують внаслiдок необмеженого набухання гщроколодав, а також «сильш гелi», що утворюються внаслiдок втрати плинностi розчину структуроутво-рювача. Проте, незважаючи на характер формування гелевоi сiтки полiсахаридiв, найбiльш важливим е сили утримування води в утворенш решiтцi, яю й будуть визначати структурно-механiчнi властивост гелевих систем.
За допомогою термогравiметричного аналiзу ви-значена поведiнка води в комплексних гелях пектишв i альгiнату натрт i визначенi вiдмiнностi вiд моно-компонентних гелiв полiсахаридiв. Дериватограми до-слiдних зразкiв представленi на рис. 2, 3.
та 0
—
БТи\\
м
БТА \ \\ /
- 150 \Д / _
" 125 \| / 80
100
75
-5/Т n 60 _
Шя 74 _
-75
в
р4 ,
г
Рис. 2. Дериваторами гелiв пектину i альгiнату натр^: а — АН; б — Н-пектин; в — L-пектин; г — LA-пектин
При аналiзi дериваторам установлен наступнi за-гальнi закономiрностi. Крива Т показуе поступове тдвищення температури всерединi зразка у будь-який момент на^вання. Для всiх зразюв вiдмiчений дея-кий перегин iз сповiльненням в iнтервалi температур 100-115 °С. Це може пояснюватись ендотермiчними перетвореннями в зразку, якi тдтверджуються наяв-нiстю ендопiку в зазначеному температурному штер-валi на кривш ДТА.
Крива ТГ, що характеризуе зменшення маси зраз-кiв, починае пов^ьно знижуватись за температури вище 50 °С. На кривiй спостер^аеться деякий прогин,
а
що збтаеться з температурою закiнчення ендотермiч-ного процесу - близько 150 °С.
ТО 0
это^у г
ЭТА \д г /
- 150 \\\ V-
- 125 \\ \\ / 80
- 100
~1ьА \ ~Г \
У 25
то 0
эТОх Р 1
ЭТА \\Д /
-150 ^ -
-125 \ 80
100
-75 /
т 1 т
1160.
та
0 _
а б в
Рис. 3. Дериваторами гелiв комплексiв пектину i альгiнату натрiю: а — Н-пектин i АН; б — L-пектин i АН; в — LA-пектин i АН
На кривiй ДТА вiдмiчений виражений недопiк, який характерний для процемв, що вiдбуваються з поглинанням тепла. Вш притаманний для вмх до-слiдних зразкiв. Температурний штервал ендопiку знаходиться в межах вщ 50...75 °С (початок процесу) крiзь 106...112 °С (максимум едотку) до 150...175 °С (закiнчення процесу). Площа ендопiку характеризуе енергетичнi витрати на протжання процесiв, що вщ-буваються в указаному iнтервалi температур. Вони зу-мовленi термiчним руйнуванням зразюв i видiленням газоподiбноi фази.
За дериватограмами визначено юльюсть води, яка втрачаеться зразками за рiзними температурними штервалами нагрiвання. Результати представлен в табл. 1. Температурнi штервали дозволяють видши-ти воду мжро- i макрокапiлярiв, осмотично зв'язану, яка взноситься до вiльноi вологи (перший i другий перiод), а також вологу адсорбцшно зв'язану вологу, вологу мономолекулярного шару, що характеризуе воду зв'язану (третш пертд).
Таблиця 1
Аналiз дериватографiчних кривих гелiв пектину й альпнату натрiю
Склад зразка Маса води, яка втрачаеться зразками за зонами, мг
25-75 °С 76-100 °С 100-150°С
Н-пектин 3 29 150
Ь-пектин 6 41 143
ЬА-пектин 6 55 123
АН 8 59 120
Н-пектин 1 АН 5 18 170
ЬА-пектин 1 АН 6 32 141
Ь-пектин 1 АН 3 27 152
Встановлено, що за температури 25-75 °С iз дослщ-них зразкiв видаляеться приблизно однакова юльюсть вiльноi вологи, що може свщчити про деяку iх iдентичнiсть за розмiрами, юльюстю i сумарною пло-щею макрокапiлярiв.
За температури 76-100 °С видаляеться мжрокаш-лярна i осмотично зв'язана волога. II кiлькiсть за таб-личними даними достатньо вiдрiзняеться для дослщ-них систем серед окремих полiсахаридiв. Найменше видiляе води зразок iз Н-пектином. Практично вдвiчi б^ьше - L- та LA-пектин, АН. Така рiзниця щодо втра-ти маси води полшахаридами за цей пертд може пояс-нюватись рiзницею в кiлькостi попередньо поглинуто! ними води, що обумовлено рiзною юльюстю функщо-нальних груп,i енергiею И зв'язування.
Маса води, що видаляеться iз зразкiв iз комплексами полiсахаридiв за цей перiод набагато менша за масу води, що видаляеться iз зразкiв з окремим пдроколо-iдом. В таких зразках юльюсть пдроф^ьних груп велика i вiдповiдно кiлькiсть води, що може видалятись за температури 76...100 °С повинна бути бiльшою. Але з урахуванням результаив коректно говорити про зб^ьшення кiлькостi зв'язаноi вологи i утримування системою бiльшоi юлькосп води завдяки взаемозв'яз-ку мiж функцiональними групами полiсахаридiв. Така система буде потребувати б^ьшо'' енергп або вищих температур для видалення води. Дшсно, найб^ьша частка води iз гелiв видаляеться за високих температур, в iнтервалi 100-150 °С. I цей показник в комплексах найб^ьший.
Ступiнь зв'язування води з полшахаридом може характеризуватись швидюстю втрати вологи. За одна-ковий час юльюсть води, що видалиться, буде рiзною. За результатами обчислень даних криво'' ТГ та змши маси води для кожного дослщного зразка побудовано кусково-лшшну функцiю, що дозволяе вщслщкувати швидкiсть видiлення вологи за рiзними температурними штервалами. Чим б^ьший кут нахилу, тим б^ьша швидкiсть видiлення води.
Графжи представленi на рис. 4.
Леи
= 7,256х- 18,97/
ш п
\
\
у = 0 088х 0 208/
7 I
п
у 63/ 1 х - 164,5 /
/
/
у = 0,148х-0„3 1< /
/
У
1 \
! I
юоо/г а
юоо/г
3 (,867х- 9,766/
/
И /
/
/
у= - 0,008 / I
/
/у = 7,302х - 18,97
/
-18»
У=з 553х- 8,706
п
/
/
у = 0 480х 1 136
7
ЮОО/Г
в
ЮОО/Г
Рис. 4. Графки кусково-лшшних функцiй видiлення
вологи з гелiв пектинiв i альгiнату натрiю: а — Н-пектин; б — LA-пектин; в — L-пектин; г — АН
Графжи характеризуються трьома перюдами, яю вiдповiдають зонам прогрiвання зразюв. У першому i другому перiодах крива мае великi кути нахилу, що
г
пояснюеться штенсивним видаленням вологи. Дiйсно, швидкють видалення води iз зон в^ьно' i капiлярноi вологи вища, шж iз зони води зв'язаноi. У третш зонi кут нахилу кривоi рiзко зменшуеться, тобто швидкiсть видалення води значно сповшьнюеться.
Пор1внюючи м1ж собою залежносН в1д-мтшо, що в першому перюд1 АН втрачае воду ¿з найменшою швидьлстю, але цей перюд для нього характеризуется найб1лыпою ьлль-кктю видалено1 води серед полкахарид1в -8 мг (табл. 1). Це свщчить про те, що вона легше видаляеться 1 ступшь утримування 11 меиша за пектиии. Можливо, шд час набухания АН утворюеться нер1вном1рна по.гпмерна сика, з б1лып пористою поверхнею, в яьай знаходиться вода, недостатньо мщно зв'язана з полюахаридом.
У другому перiодi швидкiсть для АН також найменша, але перюд видалення б^ьш три-валий за зразки з пектином, значить волога iз мiкрокаmлярiв та осмотично зв'язана вода видаляються довше. Одним iз пояснень цьо-му факту може бути блокова будова полiмеру, що затримуе вив^ьнення води. Для пектинiв другий перюд характеризуеться штенсивним вологовидаленням i за короткий промiжок часу видаляеться суттева юлькють води: Н-пектин втрачае вдвiчi менше за L- та LА-пектин (29 мг i 41-55 мг). Це може пояснюватись рiзною юль-кiстю мiкрокапiлярноi вологи, яка знаходиться в зразках: L- та LА-пектин мають бiльшу юль-кiсть пдроф^ьних зв'язкiв, iх гiдрофiльнiсть вища за Н-пектин, напевно й частка води, що зв'язана фiзико-механiчно, буде бiльшою.
У третьому перюд^ коли температура зб^ьшуеть-ся до 100 °С i вище, швидюсть видалення води у всiх зразюв набагато зменшуеться. Але мiж ними також спостер^аеться невелика рiзниця. Найбшьш повiльно видаляеться вода iз зразка з Н-пектином, найшвид-ше - iз зразка з АН. За цей перюд зразки втра-чають основну свою юлькють води: гелi Н-пектину - 150 мг (або 79 %), L- та LА-пектинiв - 143 i 123 мг (або 75 i 65 %) вщповщно, АН - 120 мг (або 66 %).
Така поведiнка полiсахаридiв вiдображуеться на швидкостi втрати води '¿х комплексами, що показано на рис. 5.
Представлен графiчнi залежностi показують, що сумюне застосування АН i пектину значно змшюе характер кривих ^ вiдповiдно, швидкiсть втрати вологи. Невеликий перший перiод вiдображуе повiльну втрату вiльноi води зразками i, особливо для зразка з ЬА-пек-тином. Цей зразок складаеться iз переважноi кiлькостi АН (LА-пектин i АН вщповщно 0,3 % i 0,8 %), який у першому перiодi (рис. 4) ввддавав найповiльнiше воло-гу. Тому це наклало свш вiдбиток на характер криво' у першому перюдь
Також повiльно втрачаеться вода iз зразкiв i в другому перюдь Як свщчать данi табл. 1, за цей перюд iз систем видiляеться вдвiчi менша кiлькiсть води, що свщчить про и мiцне утримування полюахаридною сiткою. Вiдповiдно, для и видалення необхщно доклас-ти бiльших зусиль i збiльшити температуру.
Дiйсно, найбiльша частина втрати маси зразками спостер^аеться в третьому перiодi, в якому вiдмiчено
дещо вищу швидкiсть для комплексу Н-пектин i АН. Завдяки цьому, iз зразка за цей перюд видаляеться бшьша кiлькiсть води - 170 мг порiвняно iз комплексом LА-пектин i АН та L-пектин i АН - 141 мг та 152 мг вщповщно.
За допомогою проведено' математично' обробки, можна визначити розподiл в^ьно' та зв'язано' вологи у рiзних зразках. А за даними криво' ДТА розрахова-но умовну енерпю активацii процесу видалення води (табл. 2).
Таблиця 2
Кшьмсть вшьноТ та зв'язаноТ вологи, яка зв'язуеться з пектином i альгiнатом натрiю
Склад зразка Вшьна волога, % Зв'язана волога, % Умовна енерпя активацп, кДж/моль
Н-пектин 21 79 1,64
ЬА-пектин 38 62 1,75
ЬА-пектин 26 74 1,89
АН 34 66 1,97
Н-пектин 1 АН 11 89 1,99
ЬА-пектин 1 АН 20 80 2,03
ЬА-пектин 1 АН 18 82 2,15
Результати таблиц пiдтверджують, що гелевi системи з комплексами полiсахаридiв утворюють бiльш мщну сiтку, нiж монокомпонентнi системи. Така структура здатна зв'язати бшьшу юлькють води й забезпечити и утримування. Для таких систем показники енергп активацп мають вищi значення, тобто для видалення води iз зразка необхщно бшь-ше докласти енергп. Це е шдтвердженням того, що в комплексних системах можуть виникати додатковi зв'язки мiж макромолекулами альгшату й пектину,
/
у = 3,856х-9,81< , /
/
п > /
у = 0,938 х-2,217/
/
Ш /
* у = 6 493х - / 17 73
-^а
у 1,512х- 2,928
\
\
у = 4 5 52х- 11 79 I
V 0 153х-0 335 /
Ш /
у
1000УТ а
1000/Т
П
У
т
у = 0,383х-0, 854 / /1
,„ / /
Ш у = ?.,7Й9х - 6,145
1000/Т
в
Рис. 5. Графiки кусково-лiнiйних функцiй видтення вологи з гелiв комплексiв пектижв i альгiнату натрiю: а — Н-пектин i АН; б — LА-пектин i АН; в — L-пектин i АН
б
яю призводять до змщнення просторово' структури 'х гелево' сiтки.
6. Обговорення результаив дослiдження ступеню зв'язування води селевими системами полiсaхaридiв -пектину i альгшату натрто
Представленi експериментальш данi TepMorpaBiMe-тричного aнaлiзу гелевих систем пoлiсaхapидiв - пек-тишв з piзним ступенем метоксилювання та альгшату натрт - дозволив з'ясувати поведшку води в ïx ре-шiтцi. Було встановлено, що найб^ьшу частку в системах складае aдсopбцiйнo зв'язана вода. ÏÏ юльюсть в комплексних гелях на 8-10 % преревищуе кiлькiсть зв'язано' води в монокомпонентних зразках. Тобто видалення води в таких гелях буде вщбуватись пов^ь-шше, що позитивно впли ватиме на процес синерезису, на поведшку продукцп тд час збер^ання. Це тд-тверджуеться характером кусково-лшшних функцiй, побудованих за кривою змши маси (ТГ) дериваторам. Невелика швидюсть видалення вологи свщчить про мщне ïï утримування пoлiсaxapиднoю сгткою. Ввдпо-вiднo, для ïï видалення необхвдно докласти бiльшиx зусиль. Розрахунок показника енергп активацп доводить, що для видалення зв'язaнoï води в комплексних гелях пoтpiбнo докласти б^ьше зусиль. Це може бути пов'язано iз виникненням додаткових зв'язюв мiж макромолекулами aльгiнaту й пектину, а саме додаткових водневих зв'язюв мiж ланцюгами гулуpoнoвoï й гaлaктуpoнoвoï кислот макромолекул. Саме цей фактор сприятиме утримуванню води в решгтщ гелю й спов^ьненню ïï видалення.
Тaкi дoслiджeння будуть корисними для засто-сування в технолопчних схемах виробництва кон-дитepськoï пpoдукцiï з дpaглeпoдiбнoю структурою. Змщнена сiткa гeлeвoï системи дозволить зменшити рецептурну кiлькiсть цукру бiлoгo кpистaлiчнoгo, зменшити роль сахарози як структуроутворюваль-
ного агента. Окрiм цього, зменшена актившсть води слугуе несприятливим фактором для розвитку мь кроорганiзмiв, що в умовах знижено' цукромiсткостi дозволить збер^ати якiсть продукцii в межах перед-бачуваних норм.
Розвиток даного направлення знайде широке за-стосування, осюльки структура спектру кондитер-ських виробiв стабiлiзуеться завдяки розвиненим гелеподiбним властивостям гiдроколоiдiв. Це пас-тило-мармеладнi вироби, начинки для борошняних кондитерських виробiв та карамел^ корпуси для цу-керок тощо.
7. Висновки
1. Юльюсть aдсopбцiйнo зв'язaнoï води в комплексних гелях пoлiсaxapидiв перевищуе аналопчний показник в монокомпонентних гелях як альгшату натрт, так i пектину незалежно ввд ступеню матакси-лювання на 8-10 %. Тaкi гeлi мають мiцнiшу peшiтку, здaтнi утримувати воду в б^ьшому ступеню. У свою чергу, в таких системах менш наявним буде явище ге-левого синерезису.
2. В комплексних гелях вщбуваеться зменшення швидкoстi видалення води та тдвищення ïï eнepгiï активацп, що пов'язано з виникненням додаткових зв'язюв мiж макромолекулами пдроколовдв, а саме додаткових водневих зв'язюв мiж ланцюгами гулуро-нoвoï й гaлaктуpoнoвoï кислот aльгiнaту й пектину.
3. Застосування пектиново-альгшатних гeлiв позитивно вщобразиться на стaбiльнoстi структури складних гeлeпoдiбниx, пiнoгeлeпoдiбниx та емуль-сiйнo-гeлeпoдiбниx кондитерських мас при знижeннi концентрацп цукру в peцeптуpi. Мiцнa сгтка гелю буде зaпoбiгaти кoaлeсцeнцiï, знизить актившсть води, i розвиток мiкpoopгaнiзмiв, що зaкoнoмipнo вщобра-зиться на мжробюлопчнш чистoтi пpoдукцiï протя-гом строюв ïï збepiгaння.
Лiтература
1. Guidance for Industry: A Food Labeling Guide (9. Appendix A: Definitions of Nutrient Content Claims) [Electronic resource]. -Food and Drug Administration, Office of Nutrition, Labeling and Nutrition. - U.S. Department of Health and Human Services,
2013. - Available at: http://www.fda.gov/Food/GuidanceRegulation/GuidanceDocumentsRegulatoryInformation/LabelingNutri-tion/ucm2006828.htm
2. Nestle Policy on Sugars [Electronic resource]. - Corporate Wellness Unit, Nestle Research center. - Nestle Ltd., Vevey, Switzerland,
2014. - 4 p. - Available at: http://www.nestle.com/asset-library/documents/library/documents/about_us/nestle-policy-sugars.pdf
3. Li, J.-M. The functional and nutritional aspects of hydrocolloids in foods [Text] / J.-M. Li, S.-P. Nie // Food Hydrocolloids. -2016. - Vol. 53. - P. 46-61. doi: 10.1016/j.foodhyd.2015.01.035
4. Дорохович, А. М. Використання пдроколощв у кондитерському виробництвi [Текст] / А. М. Дорохович, В. I. Оболгана, О. О. Кохан (Гавва), С. Г. Кияниця // Хлiбопекарська i кондитерська промисловють Украши. - 2005. - № 2. - С. 9-11.
5. Mata, Y. N. Sugar-beet pulp pectin gels as biosorbent for heavy metals: Preparation and determination of biosorption and desorption characteristics [Text] / Y. N. Mata, M. L. Blázquez, A. Ballester, F. González, J. A. Muñoz // Chemical Engineering Journal. -2009. - Vol. 150, Issue 3. - P. 289-301. doi: 10.1016/j.cej.2009.01.001
6. Fuks L. Transition metal complexes with alginate biosorbent [Text] / L. Fuks, D. Filipiuk, M. Majdan // Journal of Molecular Structure. - 2006. - Vol. 792-793. - P. 104-109. doi: 10.1016/j.molstruc.2005.12.053
7. Корзун, В. Заходи з мiнiмалiзащi дози внутршнього опромшення населення [Текст] / В.Корзун // Invirotment and Health. -2012. - № 2. - С. 23-29.
8. Ulrich-Merzenich, G. New perspectives for synergy research with the "omic"-technologies [Text] / G. Ulrich-Merzenich, D. Panek, H. Zeitler, H. Wagner, H. Vetter // Phytomedicine. - 2009. - Vol. 16, Issue 6-7. - P. 459-508. doi: 10.1016/j.phymed.2009.04.001
9. Lima, A. M. F. Dynamic light scattering and viscosimetry of aqueous solutions of pectin, sodium alginate and their mixtures: effects of added salt, concentration, counterions, temperature and chelating agent [Text] / A. M. F. Lima, V. Soldi, R. Borsali // Journal of the Brazilian Chemical Society. - 2008. - Vol. 20, Issue 9. - P. 1705-1714. doi: 10.1590/s0103-50532009000900020
10. Gohil, R. M. Synergistic blends of natural polymers, pectin and sodium alginate [Text] / R. M. Gohil // Journal of Applied Polymer Science. - 2011. - Vol. 120, Issue 4. - P. 2324-2336. doi: 10.1002/app.33422
11. Walkenstrom, P. Microstructure and rheological behaviour of alginate/pectin mixed gels [Text] / P. Walkenstrom, S. Kidman, A.-M. Hermansson, P. B. Rasmussen, L. Hoegh // Food Hydrocolloids. - 2003. - Vol. 17, Issue 5. - P. 593-603. doi: 10.1016/ s0268-005x(02)00119-4
12. Madziva, H. Evaluation of alginate-pectin capsules in Cheddar cheese as a food carrier for the delivery of folic acid [Text] / H. Madziva, K. Kailasapathy, M. Phillips // LWT - Food Science and Technology. - 2006. - Vol. 39, Issue 20. - P. 146-151. doi: 10.1016/j.lwt.2004.12.015
13. Young, N. W. G. A polyuronan blend giving novel synergistic effects and bake-stable functionality to high soluble solids fruit fillings [Text] / N. W. G. Young, G. Kappel, T. Bladt // Food Hydrocolloids. - 2003. - Vol. 17, Issue 4. - P. 407-418. doi: 10.1016/s0268-005x(03)00032-8
14. Пестина, А. А. Перспективи використання систем на ochobí альпнату натрт та пектину в технологи харчових продук™ [Текст] / А. A. Пестина // Матер1али V Мiжнародноi конференцп «Низькотемпературш та харчовi технологи у XXI стол^-ri», СПбГУНиПТ, 2011. - С. 255-257.
15. Пивоваров, 6. П. Вивчення процесу гелеутворення в оболонках капсульваних продукпв з позицп квантово-хiмiчного моделювання [Текст] / 6. П. Пивоваров, Н. В. Кондратюк // Вюник НТУ «ХП1». Серiя: Новi ршення в сучасних техноло-пях. - 2014. - № 17 (1060). - С. 169-175.
16. Silva, M. Alginate and pectin composite films crosslinked with Ca2+ ions: Effect of the plasticizer concentration [Text] / M. Silva, A. Cristiane, K. Bierhalz, T. G. Kieckbusch // Carbohydrate Polymers. - 2009. - Vol. 77, Issue 4. - P. 736-742. doi: 10.1016/ j.carbpol.2009.02.014
17. Никитчина, Т. Змша розчинност пектинових речовин за ферментативного гiдролiзу пектинметилестерази картопляно'1' м'язги [Текст]: зб. ст. Мiжн. наук.-прак. конф. / Т. Никитчина // Наука i осв^а: проблеми та перспективи. - 2014. - Ч. 1. -С. 211-214.
18. Мухамеджанова, М. Ю. Процеси гелеутворення та реолопчш властивост помiрно-концентрованих водних розчишв цитрусового пектину в присутност юшв полiвалентних металiв [Текст] / М. Ю. Мухамеджанова, А. В. Фшатова, Д. Джурабаев, А. С. Тураев // Химия растительного сырья. - 2012. - № 1. - С. 51-60.
19. Камбулова, Ю. В. Дослщження реолопчних властивостей розчишв пектишв, альпнату натрш та 1х комплекав [Текст] / Ю. В. Камбулова, I. О. Соколовська // Харчова наука i технолопя. - 2014. - № 1(26). - С. 68-73.
20. Камбулова, Ю. В. Вивчення впливу комплекав структуроутворювaчiв на процес тноутворення яечного бшка [Текст] / Ю. В. Камбулова, I. О. Соколовська // Науюж пращ Нащонального ушверситету харчових технологш. - 2013. - В. 50. -С. 113-116.
21. Перцевий, Ф. В. Дослщження процесу плавлення сирно'1' пасти за допомогою дериватографа Q-1000 [Текст]: зб. наук. пр. / Ф. В. Перцевий, П. В. Гурський, А. Л. Фощан, Л. О. Чуйко // Прогресивш техшка та технологи харчових виробництв, ресторанного господарства та торпвлг - 2005. - Вип. 2. - С. 35-41.
22. Швоваров, О. А. Деривaтогрaфiчнi дослщження тюта, приготованого з використанням плaзмохiмiчно активованих водних розчишв [Текст] / О. А. Швоваров, С. Ю. Миколенко // Харчова наука i технолопя. - 2011. - № 3 (16). - С. 69-72.
23. Пименова, Л. Н. Термография. Методические указания по лабораторной работе по дисциплине «Физико-химические методы исследования» [Текст] / Л. Н. Пименова. - Томск, 2005. - 19 с.
24. Clark, A. H. Structural and mechanical properties of biopolymer gels [Text] / A. H. Clark, S. B. Ross-Murphy // Advances in Polymer Science. - 1987. - Vol. 83. - P. 57-192. doi: 10.1007/bfb0023332
25. De Gennes, P. G. Scalimg Concepts in Polymer Physics [Text] / P. G. De Gennes. - Ithaka, New York : Cornell University press, 1979. - 319 p.
