Исследование активности воды в водных растворах некоторых сахаров Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 664.136-032.2

Исследование активности воды в водных растворах некоторых сахаров

Гнездилова Анна Ивановна, доктор технических наук, проф. кафедры технологического оборудования

e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»

Бурмагина Татьяна Юрьевна, аспирант кафедры технологического оборудова-

e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»

Аннотация. В работе исследована активность воды в водных растворах некоторых сахаров: мальтозы, глюкозы, мальтодекстринов, фруктозы и сахарозы. Получены концентрационные зависимости для активности и коэффициента активности воды. Расчетные значения активности воды сравнивались с экспериментальными данными. Результаты расчетов и эксперимента показали удовлетворительное согласование, что свидетельствует об адекватности предложенной модели реальному процессу.

Ключевые слова: активность воды; коэффициент активности; сахароза; глюкоза; фруктоза; мальтоза; мальтодекстрин.

В последние годы отмечается существенное ухудшение структуры и качества питания населения, так как большинство людей недополучает с пищей витамины, макро- и микронутриенты. Дефицит биологически активных веществ в питании человека приводит к возникновению различных заболеваний и снижению продолжительности жизни. Как известно, содержание витаминов и минеральных веществ в молочных продуктах недостаточно для обеспечения человеческого организма при обычных объемах потребления молочных продуктов. С целью повышения пищевой ценности авторами [1] разработан сгущенный молочный продукт с сахаром, обогащенный витаминами, в котором в качестве натуральных источников витаминов для обогащения предложена композиция из сиропов шиповника облепихи, боярышника и черноплодной рябины.

Для обогащения молочного продукта витаминами и минеральными веществами в работах [2-4] предлагается введение солода или солодового экстракта. Наряду с повышением пищевой ценности солодовый экстракт обладает консервирующим эффектом, так как содержание углеводов в нем составляет более 70 %. Углеводный состав солодовых экстрактов представлен следующими основными компонентами: мальтоза, глюкоза, мальтодекстрины, фруктоза, сахароза [5, 6].

Поэтому целью настоящей работы было исследование активности воды растворов этих углеводов и оценка их консервирующей способности.

Экспериментальное измерение показателя активности воды проводилось на приборе Яо^отс Нуд^аЬ. Результаты проведенного эксперимента представлены на рисунке 1. Исследования таких углеводов, как глюкоза, фруктоза и сахароза в диапазоне концентраций 0-40 % проводились авторами [7]. Нами исследования проводились при температуре 20 °С в диапазоне концентраций 0-100 % (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость активности воды от массовой доли сахаров: 1 - фруктоза; 2 - глюкоза; 3 - сахароза; 4 - мальтоза; 5 - мальтодекстрин

Как следует из рисунка 1, наибольшей способностью понижать активность

воды обладают моносахара, затем дисахариды и полисахариды, что согласуется с литературными данными [7].

Активность воды согласно теории Ван-Лаара [8,9]:

а1 = (1 - х) • е

и о •х2

к •Т

(1)

где (1-х) - мольная доля воды;

х - мольная доля сахарозаменителя;

и0 - энергия взаимообмена (среднее увеличение энергии одной молекулы при замене ее соседних молекул другими), Дж; к - постоянная Больцмана, Дж/К; Т- температура, К.

Коэффициент активности воды составит:

и о X — „ кТ

71 = е

После логарифмирования из уравнения (2) было получено:

и о • х2 '

п У1 = -

1 к • Т

(2)

(3)

По экспериментальным данным по активности воды (рисунок 1) был рассчитан коэффициент активности, а затем из уравнения (3) были определены значения -и0/(к Т) и представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения к ■ Т для водных растворов Сахаров

Наименование углевода 1 ™ ■

ШШл

Фруктоза 1,95

Глюкоза 2,76

Сахароза 5,11

Мальтоза 7,86

Мальтодекстрин 78,31

Из рисунка 1 и данных таблицы 1 следует, что чем выше активность воды в растворах и чем большее значение -и0/ (к^Т) имеет вещество, тем ниже консервирующий эффект этого вещества. Следовательно, значение -и0/(к^Т) может быть использовано для оценки консервирующей способности, которая возрастает в ряду: мальтодекстрин, мальтоза, сахароза, глюкоза, фруктоза.

Затем по уравнению (2) с учетом найденных значений -и0/(к Т) был рассчитан коэффициент активности воды и его значение сравнено с экспериментальным данными. Относительная погрешность отклонений расчетных значений от экспериментальных составила в среднем 7,92 %, что свидетельствует о том, что представленные выше теоретические уравнения могут быть применены для вычисления активности и коэффициента активности воды в растворах изученных углеводов.

Для бинарного раствора для состояния равновесия связь между коэффициентами активности воды Y1 и растворенного вещества Y2 может быть установлена согласно [8, 9] в виде уравнения:

или с учетом (3):

После интегрирования:

¿1п у2 =

(1-х) 2х-П0

к-Т .2

¿¿X

1п к = (1-—) + С

к-Т 2 ,

где С - константа интегрирования, С=0, так как при х=0 Y2=1.

(5)

Результаты расчетов Y2 по уравнению (5) для различных Сахаров представлены на рисунке 2.

И

о р !

*х> И

ГС

о

К

03

и

те

н к

ю

г. о

и

30

25

20

10

V

1 ,, 4

3

/ --- 1

0,00

0,05

0,10 0,15 0,20

Мольная доля Сахаров, х

0,25

0,30

Рисунок 2. Зависимость коэффициента активности сахара от его мольной доли в растворе: 1 - фруктоза; 2 - глюкоза; 3 - сахароза; 4 - мальтоза; 5 - мальтодекстрин.

Вычисление Y2 по уравнению (5) возможно лишь при концентрациях растворенного вещества более 30 % по причине сложности экспериментальных измерений Y1. Поэтому полученные зависимости (рисунок 2) могут быть экстраполированы до х=0 и по ним могут быть найдены значения Y2 для низких концентраций.

Выводы

1. Получены опытные данные по активности воды в растворах некоторых сахаров и рассчитана энергия взаимообмена между молекулами, которая может характеризовать консервирующий эффект сахаров.

2. Доказано, что уравнение Ван-Лаара может быть использовано для вычисления активности и коэффициента активности воды в растворах изученных сахаров. Предложено уравнение для расчета коэффициента активности сахаров.

3. Экспериментально подтверждено, что консервирующий эффект снижается в ряду: фруктоза; глюкоза; сахароза; мальтоза; мальтодекстрин, что необходимо учитывать при подборе сахаров.

4. Полученные результаты необходимо учитывать в технологии производства консервированных молочных продуктов, выработанных с использованием солодового экстракта.

Список литературных источников:

1. Пат. 2449545 РФ. Способ производства молокосодержащего консервированного продукта с сахаром, обогащенного витаминами / А. И. Гнездилова, Л. А. Колесова, А. В. Музыкантова. - Опубл. 10.05.2012.

2. Пат. №2525666 РФ. МПК А 23 С 9/18. Способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром / А. И. Гнездилова, Т. Ю. Шарова,

B. Г. Куленко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ВГМХА имени Н.В. Верещагина (Яи). - №2012143272/10(069428); заявл. 09.10.2012; опубл. 20.08.2014, Б.И. № 23. - 6 с.

3. Гнездилова, А. И. Консервированный молочный продукт с сахаром и солодом / А. И. Гнездилова, Т. Ю. Шарова // Молочная промышленность. - 2014. -№9. - С. 54-55.

4. Гнездилова, А. И. Сгущенный молокосодержащий продукт с сахаром / А. И. Гнездилова, Т. Ю. Шарова //Молочнохозяйственный вестник. - 2012. - №3(7). -

C. 39-45.

5. Емельянова, Н. А. Углеводный состав солодовых экстрактов / Н. А. Емельянова, В. Н. Кошевая, Т. А. Королюк // Электронный архив Национального университета пищевых технологий. - Киев, 1985. Режим доступа: http://dspace.nuft.edu. ua/jspш/handle/123456789/4033.

6. Емельянова, Н. А. Технология полисолодовых экстрактов в СССР и за рубежом / Н. А. Емельянова, В. Н. Кошевая, А. В. Данилевская, В. С. Иванов, Л. В. Диченко // Электронный архив Национального университета пищевых технологий. - Киев, 1990. Режим доступа: http://dspace.nuft.edu.ua/jspui/handle/123456789/7714.

7. Фатьянов, Е. В. Влияние водных растворов углеводов на активность воды / Е. В. Фатьянов, И. В. Царьков // Молочная промышленность. - 2011. - №12. - С. 52-53.

8. Гнездилова, А. И. Активность воды в водных растворах некоторых сахаров / А. И. Гнездилова, Л. А. Куренкова // Хранение и переработка сельхозсырья. -2014. - №3 - С. 5-7.

9. Мельвин-Хьюз, Э. А. Физическая химия. - М. : Издательство иностранной литературы, 1962. - 1148 с.

The study of water activity in aqueous solutions

of some sugars

Gnezdilova Anna Ivanovna, Doc. of Science (Technics), Professor of the Technological Dairy Equipment Chair

e-mail: [email protected]

FSBEI HPE the N.V. Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Burmagina Tatyana Yur'evna, Postgraduate Student of the Technological Dairy Equipment Chair

e-mail: [email protected]

FSBEI HPE the N.V. Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Abstract. In the work water activity was studied in aqueous solutions of some sugars: maltose, glucose, maltodextrins, fructose and sucrose. The concentration dependence for activity and activity coefficient of water was obtained. Calculated values of water activity were compared with experimental data. The results of calculation and experiment have shown a satisfactory agreement indicating the adequacy of the proposed model to the real process.

Keywords: water activity; activity coefficient; sucrose; glucose; fructose; maltose; maltodextrin.