CC BY
17
Гигроскопичность пивоваренного солода
по данным протонного магнитного резонанса
A. Ю. Сидоренко, М. В. Гернет, С. В. Воскобойников
Московский государственный университет пищевых производств
B. И. Привалов
Институт общей и неорганической химии РАН
Солод служит основным сырьем для получения пива. Его физико-химические и органолептические характеристики предопределяют качество получаемого напитка. Потребительские характеристики самого пива в значительной степени связаны с его вкусовыми и осязательными свойствами [1, 2]. Вкусовые и особенно осязательные свойства пива зависят от способности ингредиентов исходного сырья, используемого при производстве пива, образовывать с водой полиакваком-плексы различной степени прочности. Для прогнозирования вкусовых характеристик пива целесообразно разработать методику определения степени гидратации сухих веществ пива по степени гигроскопичности основного сырья — солода. Показа-
но, что степень гидратации биополимеров в водных растворах зависит от степени доступности молекул полимеров для молекул воды [3], которая численно оценивается скейлинговым показателем [4]. Степень доступности молекул биополимеров для гидратной воды определяется химическими, физико-химическими и стереохимически-ми характеристиками этих полимеров. Сродство биополимеров к воде связано с наличием в них различных функциональных групп ^Н2, ОН, С=0). Степень гидратации сухих веществ солода не претерпевает кардинальных изменений в зависимости от среды их диспергирования, поэтому степень гидратации и экстрактивность ингредиентов солода в пиве можно оценить по их гигроскопичности в твердом со-
(ррт)
(ррт)
Рис. 1. Спектр ЯМР 1Н образца солода № 13 (Скарлет — 50 %, Анабель — 50 %): _1 — обзорный спектр; 2 — растянутый спектр узкой линии_
ПИ
НАПИТКИ
3•2008
10
стоянии. Цель настоящей работы состояла в определении гигроскопичности различных сортов пивоваренного солода и состояний воды по данным спектроскопии протонного магнитного резонанса (ЯМР 'Н). Ранее была показана эффективность данного метода для других объектов биоорганической природы [5, 6].
Гигроскопичность солода была изучена методом протонного магнитного резонанса на импульсном спектрометре ЯМР с фурье-преобразованием Вгикег АС-200. Запись спектров проводили по стандартной одноимпульс-ной методике накопления сигнала с последующим фурье-преобразованием. Частота резонанса 'Н — 200,13 МГц, длительность импульсов возбуждения спиновой системы протонов 1 мкс. (десятиградусный импульс), период следования импульсов 1 с, число накоплений 128 сканов. Солод для ЯМР-анализа загружали в калиброванные ампулы диаметром 10 мм. Химические сдвиги для 1Н измеряли относительно внешнего стандарта, в качестве которого использовали те-трометилсилан.
Были записаны спектры ЯМР 1Н семи различных образцов пивоваренного солода, пронумерованных как № 10, № 11, № 12, № 13, № 16, № 17 и № 18. Спектры ЯМР 1Н всех образцов солода представляют собой широкую линию с шириной на полувысоте (Av), равной 45-50 кГц, и центральную узкую линию с Av = 2-3 кГц (рис. 1, верхний обзорный спектр для образца № 13). Широкая линия соответствует «твердотельным», неподвижным протонам биоорганических, полимерных молекул солода. Узкая линия соответствует подвижным протонам молекул воды и концевым NH2- и ОН- группам биоорганических молекул. Подвижность протонов обусловлена ориентационными движениями свободных молекул воды солода и протонным обменом связанной воды и концевых NH2- и ОН- групп биоорганических молекул солода.
Если принять суммарную интегральную интенсивность сигнала в спектре 1Н за 100 %, то относительную интегральную интенсивность узкой линии (%) можно определить как параметр, соответствующий влажности солода (степени гигроскопичности). Так, на рис. 1 приведен обзорный спектр образца № 13, состоящий из равных массовых частей солода сортов Скарлет и Анабель. На рисунке указана относительная интегральная интенсивность узкой линии (12,3 %), что соответствует влажности образца 12,3 %, определенной методом спектроскопии ЯМР 1Н. Установленная
Номер образца Сорт Фирма-производитель Экстрактивность, % к массе СВ солода Тип воды (по данным ЯМР) Характеристики ЯМР-исследования
химический сдвиг б, м. д. ширина линии на полувысоте (Дг), Гц относительная интегральная интенсивность, % суммарная интегральная интенсивность, %
10 Скарлет ООО «Восток-солод» 80,3 Слабо связанная ПроЧно связанная 6,4 2,9 2552 660 5,4 9,1 3,7
12 Скарлет — 50 %, 12 Анабель — 50 % Вороновский завод по производству солода ^ 5,7 2461 6,02 связанная 82,2 9,3 ПроЧно 2,4 573 3,28 связанная
11 Барке Вороновский завод по производству солода Слаб° 6,2 2563 68 связанная 81,1 9,9 ПроЧно 28 529 3,1 связанная
13 Скарлет — 50 %, 13 Анабель — 50 % ЗАО «Солодовенный завод «Суфле», Санкт-Петербург Слабс' 6,2 2718 9,2 связанная 81,3 12,3 ПроЧно 28 540 3,1 связанная
16 Скарлет Вороновский завод по производству солода ^ 6,5 2612 5,5 связанная 80,2 9,1 ПроЧно 2,9 644 3,6 связанная
17 Престиж ЗАО «Солодовня Мутена» Слаб<) 6,5 2791 6,9 связанная 80,0 10,6 ПроЧно 2,9 635 3,7 связанная
18 Гончар ЗАО «Солодовня Мутена» ^ 6,5 2831 6,3 связанная 79,5 10,4 ПроЧно 28 636 4,1 связанная
ная» вода, что не соответствует фактическому состоянию воды. Вся вода, определяемая при помощи данного метода, является связанной. Можно лишь говорить о различной степени ее адсорбционного сродства к матрице гидратированного вещества [8]. Поэтому воду, способную к более легкому удалению, предложено определять как «слабо связанную», а воду, более прочно адсорбированную поверхностью вещества, — как «прочно связанную». Линия 1 (см. рис. 2) с большим химическим сдвигом 'Н (8 = 6,0-6,5 м. д.) соответствует слабо связанным молекулам воды, а линия 2 с меньшим химическим сдвигом (8 = 2,5-3,0 м. д.) соответствует протонам прочно связанной воды. Прочно связанную воду идентифицируют как связанную за счет групп C-NH2, С-ОН биоорганических молекул и молекул воды, образующих между собой водородные связи. При этом между данными группами происходит быстрый протонный обмен, что и обусловливает усредненную узкую линию 2 (см. рис. 2) с химическим сдвигом
25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 -5,0 -10,0 (ррт)
Рис. 2. Разложение спектра ЯМР 1Н
(200,13 МГц) узкой центральной линии образца солода (Скарлет — 50 %, Анабель — 50 %) на две лоренцевые линии, соответствующие протонам слабо
(1) и прочно (2) связанной воды
таким образом относительная интегральная интенсивность узкой линии спектра 'Н (влажность) всех семи образцов солода представлена в таблице.
Растянутый спектр центральной узкой линии образца № 13 приведен на рис. 1 (нижний рисунок). Из рисунка видно, что центральная узкая линия состоит из двух перекрывающихся линий, различающихся химическими сдвигами, шириной линий и относительными интегральными интенсив-ностями. Разложение центральной узкой линии на две лоренцевые линии было проведено по итерационной процедуре по программе LINESIM, которая входит в математическое обеспечение спектрометров фирмы Вгикег (рис. 2). В результате такой обработки центральной узкой линии семи спектров 'Н образцов солода были получены химические сдвиги, ширины линий и относительные интегральные интенсивности двух линий, составляющих центральную линию всех семи образцов солода (см. таблицу).
Традиционно при анализе ЯМР-данных разложения центральной узкой линии на две лоренцевые линии для дифференциации указанных двух групп подвижных протонов используют термины «свободная» и «связан-
8 = 2,5-3,0 м. д. Прочно связанную воду можно рассматривать в качестве индикатора, указывающего на количественное содержание гидроксиль-ных и аминогрупп в солоде. Путем разложения узких линий спектров 1Н по относительным интегральным ин-тенсивностям были определены концентрации слабо связанной и прочно связанной воды во всех семи образцах солода (см. таблицу).
Как видно из данных таблицы, суммарная влажность образцов варьируется в интервале 9-13 % в зависимости от сорта солода. Для каждого образца получены характеристические ЯМР 1Н параметры слабо связанной (8 = 5,5-6,6 м. д., Av = 2400-2800 Гц) и прочно связанной (8 = 2,4-3,0 м. д., Av = 500-650 Гц) воды и их относительные концентрации в процентах. На рис. 3 приведена диаграмма, иллюстрирующая соотношение (%) прочно, слабо связанной воды и ее общего количества во всех исследованных образцах солода. Из рис. 3 следует, что рост общего содержания влаги солода обусловлен ростом вклада во влажность слабо связанной воды, в то время как вклад прочно связанной воды во влажность не коррелирует с ростом общего содержания воды и изменяется в меньших пределах, нежели слабо связанная и общая вода.
Слабо связанная вода может быть идентифицирована как адсорбцион-но-координированная вода второго и последующих адсорбционных слоев капилляров солода. Количество аб-сорбционно-координированной воды зависит от пористости солода, численно может быть описано скейлин-говым показателем [3] и использовано для оценки кинетики экстракции сухих веществ солода.
Как указано выше, количество прочно связанной воды обусловлено химическим составом солода и связано с наличием гидроксильных и ами-
ногрупп, которые, в свою очередь, характеризуют углеводно-белковый состав солода. Количество прочно связанной воды может быть использовано для оценки количества экстрагируемых веществ солода. Для всех семи образцов солода по известной методике [7] была определена экстрактив-ность образцов в пересчете на сухое вещество (см. таблицу). На рис. 4 приведена зависимость экстрактивности от количества прочно связанной воды. Как видно из рис. 4, по мере увеличения количества прочно связанной воды экстрактивность солода снижается. Данный эффект может быть объяснен с позиции теории диффузии. Согласно уравнению Фика [9], количество экстрагированных веществ обратно пропорционально эффективному диаметру его молекул. Учитывая, что между молекулами прочно связанной воды и функциональными группами матрицы крахмально-белкового комплекса солода происходит быстрый протонный обмен, можно предположить высокую степень удерживания такой воды на поверхности
82,5
| 82
о
8 81,5
и Е
о 81
Б 80,5
о
| 80
79
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Содержание прочно связанной воды (ЯМР), %
Рис. 4. Зависимость экстрактивности солода от содержания прочно связанной воды, определенной методом ЯМР
14 12
% 10 8 6
ржа 4
Соде 2 0 , " 10 ' 12
" 18 17 13 Номера образцов солода
Рис. 3. Соотношение различных видов связанной воды, определенных в образцах солода методом ЯМР: 1 — прочно связанная; 2 — слабо связанная; 3 — общее содержание
молекул химических веществ солода. Такой характер сорбции влаги приводит к существенному увеличению эффективного размера экстрагируемых веществ, что в итоге приводит к снижению экстрактивности солода. Представленная на рис. 4 зависимость может быть аппроксимирована квадратичным уравнением:
Э = 1,3 (В)2 - 11,7В + 105,43, (1)
где Эс — экстрактивность солода, %;
Вп — содержание прочно связан-
ной воды, определенное методом
ЯМР, %.
Величина достоверности аппрок-
симации й2 уравнения составляет
3 • 2008
12
0,9079, что позволяет с высокой надежностью рекомендовать данное уравнения для инженерных расчетов.
Таким образом, в результате проведенных исследований гигроскопичности (влажности) солода методом протонного магнитного резонанса установлено, что определяемая этим методом влажность может быть связана с существованием адсорбированной влаги двух видов: прочно и слабо связанной воды. Слабо связанная вода характеризует степень доступности функциональных групп биополимеров солода для молекул воды. Прочно связанная вода характеризует количество функциональных групп, способных устанавливать прочные водородные связи с молекулами адсорбированной воды. Установлено, что прочно связанная вода может служить мерой экстрактивности солода. Получено аппроксимирующее выражение для описания данной зависимости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красовский П. А. Товарная экспертиза. Теория и практика. Т. 2, ч. 2.//Экспертные технологии. Монография. — М.: МАКС Пресс, 2007.
2. Гернет М. В., Матисон В. А., Сидоренко А. Ю. Проектирование сенсорного профиля пива с улучшенными потребительскими свойствами /Сб. докл. I межведомственной научно-практической конференции «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров». — М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008.
3. Угрозов В.В., Филиппов А.Н., Сидоренко Ю.И. Описание годроскопичности гидрофильных биополимеров и биополимерных смесей // Коллоидный журнал. 2007. Т. 69. № 4. С.256—259.
4. Де Жен П. Идеи скейлинга в физике полимеров. — М.: Мир,1982.
5. Пилипенко Т.Д., Жеребин Ю.Л., ГорбатюкВ. Я. Состояние воды в белковой пасте из жмыха зародышей кукурузы//Известия вузов. Пищевая технология. 1997. № 2—3. С. 43—45.
6. Сидоренко А. Ю., Гернет М. В., Привалов В. И. Изучение гидратации гранулированного пивоваренного хмеля методом ЯМР протонов (*Н) и углерода-13 (13С)// Сб. докл. IV Междунар. конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Ч. III. — М.: Издательский комплекс МГУПП, 2006.
7. Ермолаева Г. А. Справочник работника лаборатории пивоваренного предприятия — СПб.: Профессия, 2004.
8. Угрозов В. В., Филиппов А. Н., Сидоренко Ю. И.//Коллоидный журнал. 2007. Т. 69. № . 2. С. 256.
9. Сапронов А. Р. Технология сахарного производства. — М.: КолосС, 1998. &
