CC BY
45
ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 547
В. Ф. Пучкова, А. Т. Васюкова, З. Ш. Мингалеева
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРАТАЦИИ ПОЛИСАХАРИДОВ
Ключевые слова: сухие смеси, вязкость, гидроколлоиды, полисахариды, модифицированные крахмалы.
Исследованы процессы растворения в зависимости от концентрации полисахаридов в системе, продолжительности, температуры, рецептурных компонентов.
Keywords:dry mixes, viscosity, hydrocolloids, polysaccharides, modified starches.
Investigated the processes of dissolution depending on the concentration of polysaccharides in the system, the duration, temperature and recipe components.
При производстве дрожжевого теста ускоренным способом нами предлагаются технологии на основе сухих функциональных смесей, обогащенных плодовыми и ягодными порошками, в том числе порошками из дикорастущих растений.
Первым этапом в технологическом процессе производства эмульсионных смесей на основе сухих функциональных является получение основы для эмульгирования путем соединения сухих компонентов с водой.
Ингредиенты, которые потенциально могут входить в состав сухой смеси, выпускаются в виде сухих волокнистых материалов, гранул, порошков различной степени дисперсности, а их свойства, как эмульгаторов и стабилизаторов проявляются в растворенном состоянии. Поэтому были изучены процессы растворения в зависимости от концентрации полисахаридов в системе, продолжительности, температуры, присутствия рецептурных компонентов.
На основании литературных данных и предварительно проведенных серий экспериментов установлено, что эмульгаторы, загустители, стабилизаторы полисахаридной природы целесообразно использовать в концентрациях до 1,0 %. Причем, такие, как камеди - от 0,1% до 0,6 % (в пересчете на содержание в дисперсионной среде). Известно, что при взаимодействии гидроколлоидов с водой происходит их набухание и растворение, сопровождающиеся изменениями значений эффективной вязкости.
Для получения воспроизводимых и объективных характеристик интересующих свойств системы «полисахарид-вода» важным было установление условий (продолжительности и температуры) для максимального проявления функциональных свойств, о чем может свидетельствовать стабилизация эффективной вязкости во времени. Установлено, анализ кривых изменения вязкости системы «полисахарид - вода» во времени, начиная с момента их приготовления, свидетельствует о том, что динамика растворения в различные периоды времени для исследованных полисахаридов и концентраций не одинакова. Этот
процесс можно разбить на два этапа, характерных для процессов гидратации полимеров.
Первый этап характеризуется нарастанием эффективной вязкости до максимальных значений, второй этап - достижение системами относительно постоянных значений вязкости. Установлено, в первые (4... 5) х 3600 с взаимодействия полисахаридов с водой эффективная вязкость суспензий полисахаридов в зависимости от концентрации возрастает в среднем от 10 % до 20 % от первоначальной.
Максимальные значения вязкости наблюдаются при концентрациях:
- гуара 0,1 % и 0,3 % через (2,8...3,0) х 3600 с; 0,5 % через (4,0...4,5) х 3600 с;
- для ксантана 0,1% и 0,3% через (2,9...3,0) х 3600 с, 0,5 % через (4,0...4,2) х 3600 с.
Второй этап гидратации характеризуется снижением эффективной вязкости от 3 % до.5 % по сравнению с максимальным и стабилизацией значений. Продолжительность образования равновесных систем зависит также от степени дисперсности исходных порошкообразных препаратов. Размер частиц гуаровой камеди составляет от 100 мкм до 300 мкм, ксантановой - от 100 мкм до.500 мкм. Для достижения максимальных значений вязкости при указанной степени дисперсности согласно литературным источникам требуется не менее (2...4) х 3600 с, что согласуется с полученными данными.
Зависимость эффективной вязкости гидроколлоидов от продолжительности хранения можно промоделировать следующей функцией:
Y
A
+ р t
Принятый подход в изучении вязкостных свойств ксантана и гуара может быть перенесен и на другие виды полисахаридов подобной природы.
Исследования процесса гидратации модифицированных крахмалов марок «МуаОуБ» (56, 58), «Тгесотех 12» (рисунок 1) показали, что общая тенденция растворения высокомолекулярных соединений сохраняется, а значения вязкостей для этих марок при одинаковой концентрации практически совпадают.
а
e
Диспергирование, гидратация
исследованных крахмалов и образование определенной структуры ведет к увеличению вязкости от 5 % до 10 % за (2,5...3,0) х 3600 с от момента приготовления для всех изученных концентраций (кривые 1, 2, 3).
Рис. 1 - Изменение вязкости (п) во времени (т) системы «модифицированный крахмал - вода» при концентрации: 1 - 0,1%, 2 - 0,3%, 3 - 0,5% (при 1=20+2°С)
Второй этап сопровождается неуклонным снижением значений вязкости от 10 % до 15 % по сравнению с максимальным через (3,0...3,2) х 3600 с от момента приготовления.
Проведенные исследования процессов гидратации гуара, ксантана, модифицированных крахмалов согласуются с общей теорией двухэтапного растворения высокомолекулярных веществ.
На первом этапе молекулы растворителя, взаимодействуя с гидроколлоидом и проникая внутрь частиц исходного вещества, заполняют пространство между макромолекулами. Гибкие молекулы биополимеров переплетены между собой так, что их звенья не подходят друг к другу вплотную, между отдельными звеньями остается свободное пространство, в которое и проникают молекулы низкомолекулярного растворителя. По мере заполнения свободного пространства между частицами полимера, молекулы растворителя раздвигают звенья цепей полимера, а в образовавшиеся пустоты проникают новые молекулы воды, т.е. происходит набухание, сопровождающееся повышением вязкости и увеличением объема полимера.
Вероятно, на первом этапе в водных системах полисахаридов все же сохраняются взаимодействия «полисахарид - полисахарид». Повышение вязкости водных систем гуара, ксантана, модифицированных крахмалов в зависимости от концентрации характеризуется средней скоростью набухания и растворения (йп /йт) (рисунок 2.). Как видно, природа и концентрация гидроколлоида в воде существенно влияет на скорость набухания и растворения. Так, среди исследованных полисахаридов самой высокой скоростью набухания и растворения при концентрации выше 0,3 % обладает гуаровая камедь (кривая 1): при повышении концентрации от 0,3 %
до 0,5 % скорость набухания увеличивается в 2,5.2,7 раза.
У АЛ-
3
> 1-Л
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
с. %
Рис. 2-Зависимость средней скорости набухания и растворения (йп/йт) гуара (1), ксантана (2), модифицированных крахмалов (3) от концентрации (с) при !=20+2°С
Увеличение концентрации ксантана в воде (кривая 2) от 0,1 до 0,5 % приводит к повышению скорости набухания в 4,5.5 раз.
Исследования модифицированных
крахмалов показали, что при изменении содержания крахмала в воде от 0,1 % до 0,5 % скорость набухания увеличивается в среднем в 1,5.2 раза.
В процессе набухания постепенно разрушаются связи между макромолекулами, происходит увеличение способности к тепловому движению, сопровождающееся диффузией молекул биополимера в фазу растворителя. Завершается второй этап, на котором набухание переходит в растворение. Вероятно, на втором этапе диффузии доминируют взаимодействия «полисахарид - вода», что определяет стабилизацию вязкостных показателей систем.
Анализ полученных зависимостей показывает, что процесс растворения исследованных биополимеров протекает с разной скоростью и существенно зависит от концентрации гидроколлоида. В технологических процессах переработки полимеры, как правило, подвергаются одновременно механическому, световому, тепловому и другим видам воздействия, что может оказать влияние на скорость набухания и растворения. Экспериментальные данные свидетельствует о том, что образование равновесной системы «полисахарид - вода» при температуре 20+2 оС длителен - (4...5) х 3600 с, что ставит задачу интенсификации процесса.
Одним из путей решения проблемы является повышение температуры, при которой протекает процесс. Общеизвестно, что при повышении температуры при одновременном механическом воздействии скорость реакции возрастает согласно закону Ван-Гоффа.
Влияние температуры и продолжительности нагревания на вязкость водных систем ксантана и гуара представлено на рисунке 3. В исследуемом температурном интервале (20...100)°С водные системы ксантана и гуара характеризуются
незначительным снижением значений эффективной вязкости для всех исследованных образцов в среднем от 5%.до 7% (при температуре выше 40оС).
Рис. 3 - Зависимость вязкости (п) системы «полисахарид - вода» от температуры (Т) при концентрации:- ксантана 1 - 0,1 %; 2 - 0,3 %; 3 -0,5 %; - гуара 4 - 0,3 %, 5 -0,5 %
При охлаждении наблюдается
гистерезисный ход кривых вязкости водных систем ксантана и гуара, при этом значения вязкости достигают 96...98 % от первоначальных. Исследование вязкостных характеристик ксантана и гуара при указанных условиях показало, что нагрев до температуры 100оС в течение (15...20) х 60 с не оказывает значительного влияния на вязкость систем.
Повышение температуры необходимо для интенсификации процесса образования равновесных систем, но при этом следует учитывать технологические ограничения и особенности. Для восстановления функциональных свойств рецептурных компонентов эмульсионных смесей, снижения микробной обсемененности сырья применяется низкотемпературная пастеризация, характеризующаяся следующими режимами: температура 70+2оС, продолжительность - (20...25) х 60 с.
Исследован процесс образования системы «полисахарид - вода» во времени в зависимости от концентрации при температуре 70+2оС. Установлено, изменение вязкости веществ во времени при температуре 70+2оС также характеризуется двумя основными этапами (набухание и растворение), типичными для гидратации полимеров. Однако процессы гидратации при температурном и механическом воздействии характеризуются более высокой скоростью набухания, растворения и достижения равновесного состояния.
Так, для системы «гуар - вода» продолжительность достижения равновесия при указанных условиях составляет (0,4...0,8) х 3600 с, для системы «ксантан - вода» - (0,4...0,8) х 3600 с, что в 5... 10 раз меньше, чем для аналогичной системы, полученной при температуре 20+2оС. Вероятно, снижение продолжительности
образования равновесных систем связано с более высокой скоростью набухания, растворения. Зависимость средней скорости набухания и растворения (йп / йт) гуара, ксантана от концентрации в воде представлена на рисунке4.
с1д 19 ск
17 15 13 11 9 7
б!
2
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5
С, %
Рис. 4 - Зависимость средней скорости набухания и растворения (йп/йт) гуара (1), ксантана (2) от концентрации (С) при 1=70+2оС
Как видно, скорость набухания и растворения гуара (кривая 1) и ксантана (кривая 2) при температуре 70+2оС практически одинакова, однако при повышении температуры с 20+2оС до 70+2оС скорость увеличивается: для гуара в 5.6 раз, для ксантана в 6.9 раз.
Необходимо отметить, что эффект от повышения температуры при образовании равновесных систем «полисахарид - вода» состоит в сокращении продолжительности образования равновесных систем в 5.10 раз. Это, по-видимому, связано с тем, что при увеличении температуры разрушаются водородные связи, и сегменты макромолекул становятся более подвижными, в результате чего увеличивается скорость их растворения.
Очевидно, что значения вязкости равновесных водных систем полисахаридов зависит не только от природы, но и от концентрации биополимера.
Выявлено, что при увеличении концентрации полисахаридов от 0,1 % до 1,0 % наблюдается общая тенденция увеличения вязкости. Анализ графических зависимостей показал, что при одинаковых концентрациях гуар образует более вязкие системы, чем ксантан и модифицированные крахмалы. В диапазонах малых концентраций от 0,1 % до.0,2 % вязкость водных систем гуара и ксантана практически не отличается и составляет (44.50) х10-3 Па х с.
При повышении концентрации до 0,5% вязкость водных систем гуара превышает вязкость ксантана на 30.40 %. При концентрации 0,9% и выше вязкость гуара существенно отличается и превышает вязкость ксантана в 3...4 раза.
Значения вязкости водных систем модифицированных крахмалов (при концентрации в растворе от 0,1 % до 1,1 % составляют (40.80) х 10-3
Па х с, что в 2.5 раз ниже, чем соответствующие показатели вязкости для ксантана и гуара.
На основании исследования гидратации гуара, ксантана, модифицированных крахмалов установлено, что процесс получения равновесной системы «полисахарид - вода» при 20+2оС длителен и составляет (4...5) х 3600 с в зависимости от концентрации в системе. Сокращению продолжительности в 10... 15 раз способствует повышение температуры до 70+2оС.
Важной характеристикой систем «полисахарид - вода» для обоснования их применения в эмульсионных смесях, наряду с процессами образования равновесных систем, является седиментационная устойчивость.
Литература
1. Полисахариды - компоненты новых продуктов // Пищевая промышленность. - 1991. - № 1 - С. 86-88
2. Жушман А.И., Карпов В.Г., Лукин Н.Д. Модифицированные крахмалы как эффективные пищевые добавки // Пищеваяпром-ть. - 1996. - № 6. - С. 18-19
3. Кочеткова А.А. Пищевые гидроколлоиды: теоретические заметки // Пищевые ингредиенты. Сырье и добавки. - 2000. - № 1. - С. 10-11.
4. Дубцов Г.Г. Хлебные изделия функционального назначения. // Кондитерское и хлебопекарное производство. 2005. № 12 (52). С. 12 - 13).
5. Цыганова Т. Б. Технология хлебопекарного производства / Т. Б. Цыганова. - М.: Академия, 2001.423 с.
6. Васюкова А.Т., Пучкова В.Ф., Першакова Т.В., Жилина Т.С.,Федоркина И.А. Современные технологии использования нетрадиционного сырья в кулинарной практике. - Краснодар, // Пищевая технология, 2010. -С. 67-71.
7. Т.А. Ямашев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 17, 129-133 (2011)
© В. Ф. Пучкова - к.т.п. доцент, зав. кафедрой технологии продуктов общественного питания Смоленского гуманитарного университета, puchkova@shu.ru; А. Т. Васюкова - д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского», vasyukova-at@ya.ru; З. Ш. Мингалеева - д.т.п, профессор кафедры технологии пищевых производств КНИТУ, mingaleeva06@mail.ru.
© V. F. Puchkova - Candidate of Siences (Ph.D.) in Ingineering, Docent (Associated Professor), supervisor of the Department of technology products catering Smolensk Humanitarian University, puchkova@shu.ru; A. T. Vasyukova - Doctor of Technical Sciences, Professor FGBOU VPO "Moscow State University of Technology and Management of a name KG Razumovsky ", vasyukova-at@ya.ru; Z. SH. Mingaleeva - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Technology of Food Productions from Faculty of Food Technology in Kazan National Research Technological University, mingaleeva06@mail.ru.
