Набухание и размягчение ядер водяного ореха в процессе замачивания Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

634.776.4.002

НАБУХАНИЕ И РАЗМЯГЧЕНИЕ ЯДЕР ВОДЯНОГО ОРЕХА В ПРОЦЕССЕ ЗАМА ЧИВАНИЯ

Е.С. ФЕДОСОВА, А.Т. БЕЗУСОВ

Одесская национальная академия пищевых технологий

Водяной орех (Trapa Natans L.) представляет интерес как потенциально ценный нетрадиционный вид пищевого сырья. Это однолетнее реликтовое растение, сохранившееся со времен межледникового периода. По вкусу ВОДЯНОЙ орех близок К КОКОСОВОМ}' ореху или сладкому каштану и имеет приятный аромат. Его полезные пищевые свойства давно привлекали внимание человека, и он культивировался еще со времен каменного века. В настоящее время в Индии, Китае и Японии водяной орех выращивают как пищевое растение. Его едят сырым, печеным или отваренным с солью; из него готовят муку и крупу, различные блюда и кондитерские изделия [1]. Известны более 30 патентов, в которых предлагается использовать водяной орех в качестве сырья для изготовления различных пищевых добавок, безалкогольных и алкогольных напитков, лечебных препаратов.

В состав ядра водяного ореха входят 15% белков, 7,5% жиров, 52% крахмала, 3% сахара и 22,5% воды. Выход ядра составляет (59 ± 1)%. В золе ядра содержится, %: фосфора 39,2, железа 0,36, марганца 0,21, магния 12,3, кальция 0,6, хлора 0,6 [2-4]. По содержанию крахмала и белка водяной орех не уступает зерновым культурам, а по белку даже превосходит их.

Для крахмала водяного ореха характерна низкая и постоянная вязкость при нагревании. Он содержит 15% амилозы [5], которая обладает особой структурой [6], в то же время характеристики амилопектина близки к другим крахмалам. Водяной орех сохраняет высокую твердость при бланшировании [7], что объясняется высоким содержанием феруловой кислоты в полисахаридах клеточной оболочки. Тепловая обработка в воде уменьшает силу адгезии клеток в плодах в результате разрушения пектиновых веществ [8].

В связи с этим целесообразно использование водяного ореха в качестве пищевого, кормового и лекарственного сырья. Большие заросли этого растения находятся в водоемах южной части Одесской области (Ре-ни, Килия), особенно в Дунайском биосферном заповеднике.

Одно из направлений использования водяного ореха в пищевой промышленности - его консервирование. Известно, что при изготовлении консервов, в рецептуру которых входят сухие бобовые культуры (горох, фасоль, соя, нут), практикуют замачивание сухого продукта в воде для набухания зерен [9,10]. Если этого не сделать, то при стерилизации консервов зерна набухают в результате поглощения за ливы и в готовой продукции не остается жидкой фазы [11]. Подобная обра-

ботка, по-видимому, должна предшествовать и консервированию водяного ореха, твердые и хрупкие ядра которого после сушки в естественных условиях непригодны для пищевого использования без предварительного замачивания. Поскольку данные по тепловым и временным режимам влажно-тепловой обработки водяного ореха в литературе отсутствуют, цель настоящей работы - изучение кинетики его набухания и размягчения в процессе замачивания при разных температурах и получение соответствующих расчетных формул, необходимых для выбора научно обоснованных режимов замачивания и бланширования.

Для изучения кинетики набухания проводили случайную выборку орехов, собранных в ноябре 2002 г. в районе г. Килии (Одесская обл.) и высушенных в естественных условиях. Орехи очищали от скорлупы [4], разделяли на навески порядка 20 г каждая, взвешивали на электронных весах с точностью 0,01 г и насыпали в металлические стаканчики, наполненные водой. Стаканы помещали в водяной термостат, в котором поддерживалась постоянная температура 20, 40, 60 или 80°С с точностью 0,25°С. Через фиксированные промежутки времени ядра извлекали, просу шивати фильтровальной бумагой и снова взвешивали. Контрольные взвешивания орехов до погружения и извлеченных сразу после погружения показали, что масса влаги, адсорбированной на поверхности ядер, не влияла на точность измерения набухания орехов.

Резугльтаты параллельных опытов усреднялись и обрабатывались методами теории погрешностей, так что для каждого времени помимо среднего значения прироста массы Ат определяли также доверительные интервалы. В качестве меры степени набухания использовали относительный прирост массы

ф = ~.100'°/о,

т0

где Ат - абсолютный прирос! массы, та - начальная масса [9, 12].

Параллельно с измерениями набухаемости проводили также измерения твердости ядра водяного ореха с помощью финометра Типа-2 (Венгрия), предназначенного для измерения зрелости зеленого горошка [10]. После измерения набухаемости эти же навески помещали в измерительный цилиндр финометра, в котором в условных относительных единицах Ф измерялась сила сопротивления продукта при равномерном вдавливании в него 10 металлических цилиндров диаметром 6 мм каждый в течение 6 с.

Для выбора оптимальных параметров процесса замачивания водяного ореха необходимо знать взаимосвязь между степенью набухания, твердостью ядер, временем и температурой обработки. Дтя удобства ин-

женерных расчетов указанные зависимости целесообразно иметь не только в виде графиков, соответствующих лишь некоторым дискретным значениям температуры, но и в виде формул, справедливых во всем диапазоне предполагаемых температур и времен замачивания. Для решения этой задачи необходимо провести соответствующую математическую обработку экспериментальных кривых, аппроксимировав их известными математическими функциями. Кроме того, решение дифференциального уравнения набухания позволяет на феноменологическом уровне понять сущность происходящих процессов и выявить их закономерности.

На основе полученных экспериментальных данных построены графики кинетики набухания водяного ореха ср(?) при разных температурах (рис. 1), характерной особенностью которых является стремление к некоторому- предельному максимальному значению фтах, величина которого зависит от температуры. Плавное уменьшение скорости набухания по мере приближения к предельному набуханию свидетельствует о том, что исследуемый процесс относится к кинетике первого порядка, поэтому соответствующее дифференциальное уравнение имеет вид

160-

Ш

(1)

100 200 300 400

Время, мин

Рис. 1

80

.■У

: во

!

'г

- 50 ■.

V

з

^ 40 \

8

А 30

20

40

10

20

30

70

40 50 60

ТемперзгургцС Рис. 2

Ф(0 = ФП1, 1-ехр(-------)

80

(2)

где к - константа набухания, зависящая от свойств продукта и от температуры; помимо константы к часто используется обратная ей величина х„ — 1/к. представляющая собой характеристическое время набухания [9].

Решая уравнение (1), получаем 70— ■

Между экспериментальными точками и теоретическими кривыми (рис. 1), построенными по формуле (2) после компьютерной подгонки параметров фтах и т0, наблюдается хорошее соответствие.

Температурные зависимости характеристического времени набухания т0 и максимального набухания водяного ореха фтах (рис. 2) хорошо аппроксимируются нарастающей и спадающей экспонентами с соответствующими коэффициентами

Фл.» '■ Фо +ЛехР|

( Т\

у!

Ч м у

( т \

х0 =5 +Сехр| — \)

(3)

(4)

где фо •--- 4,7%; А = 10,8%; Г; = 44,4°С; В - 40 мин; С “212 мин;

Г, = 27,5°С.

Подставляя (3) и (4) в (2), получаем в явном виде зависимость степени набухания от времени I и температуры Т

■VI

ф(0= ч>„4^

( т"'

ехр ... :

Ч&,1.

\ 1- ехр| -Г

В + С ехр:

I тг

(5)

Для инженерных расчетов часто необходимо решить обратную задачу, а именно, до заданной температуре Т и требуемой степени набухания фге? рассчитать необходимое время обработки 4. Искомая формула может быть получена из уравнения (5)

~1---------'-1----'-!-----1-1-----'-1------1" ' '.I

50 100 150 200 250 300 350

Время, мин Рис. 3

Например, при температуре Т = 60°С и требуемом набухании срге? = 40% получаем по форму1 ле (6) ?0= 139 мин. что в точности соответствует экспериментальной точке на соответствующей КрИБОИ (рис. 1).

Результаты измерения твердости ядра водяного ореха при замачивании в воде показывают, что с течением времени при разных температурах твердость уменьшается (рис. 3). Начальная твердость орехов соответствовала максимальному показанию прибора Ф = 100 (цилиндры не проникают в продукт). По виду кривых (рис. 3) можно предположить, что твердость уменьшается по экспоненциальному закон)'. Математическая обработка, подобная примененной при исследовании набухания, показала, что кинетика уменьшения твердости приближенно описывается уравнением

Ф= Ю0ехр[ - 4 ' (7)

где I - время набухания; х(Т) - зависящее оттемпературы характеристическое время уменьшения твердое™, которое было найдено путем компьютерной обработки кривых (рис. 3).

Согласно современным представлениям набухание растительных продуктов при замачивании является результатом сложных процессов, в которых основную роль играет осмотический переход воды через полупроницаемую оболочку внутрь растительных клеток. В результате осмотическое давление внутри клеток повышается, что в свою очередь приводит к увеличению

их объема. Согласно закону Вант-Гоффа, стационарное осмотическое давление при постоянной температуре пропорционально концентрации растворенного вещества, с повышением же температуры произведение осмотического давления на объем растет пропорционально первой степени температуры

где V - число молей растворенного вещества в объеме V: Я - универсальная газовая постоянная, Т- абсолютная температура.

Процесс набухания является нестационарным, так как за счет диффузии воды в клетки их объем увеличивается, а молярная концентрация твердых компонентов уменьшается. Набухание прекращается, когда всасывающее действие мембраны компенсируется осмотическим давлением, которое в растительных клетках может иметь порядок 10 атм. Важную роль в процессе набухания играют прочность и эластичность клеточной оболочки. Механическая нагрузка на оболочку увеличивается по мере приближения к стационарному состоянию, и если прочность оболочки недостаточно высока, то может произойти ее разрыв еще до достижения равновесия. При повышении температуры, как следует из уравнения (8), осмотическое давление возрастает, что приводит к увеличению объема и предельного набухания, а также к уменьшению концентрации твердых сухих веществ в клетках и, следовательно, к уменьшению твердости. Именно такие закономерности наблюдались нами экспериментально (рис. 1-3).

На основе полученных данных по набуханию и твердости при замачивании водяного ореха были разработаны технологические режимы консервирования ядер ореха и изготовлены опытные образцы консервов.

выводы

1. Экспериментальное изучение кинетики набухания и размягчения ядер водяного ореха в процессе замачивания при разных температурах показало, что процесс набухания соответствует кинетике первого порядка.

2. На основе решения соответствующих дифференциальных уравнений и компьютерной обработки экспериментальных и теоретических кривых набухания получена в явном виде зависимость степени набухания от времени и температуры, а также выведена необходимая для инженерных расчетов формула, позволяющая по заданной температуре и требуемой степени набухания рассчитать необходимое время обработки водяного ореха.

3. На основе полученных результатов разработаны технологические режимы консервирования ядер ореха и изготовлены опытные образцы консервов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mazumdar B.C. Water chestnut - the aquatic fruit -cultivation in India // World Crops. - 1985. - 37. - № 2. - P. 42-45.

2. Флора СССР. Т. 15. / Гл. ред. В.Л. Комаров. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. - 742 с.

3. Васильев В.Н. Водяной орех и перспективы его культуры в СССР - М.-Л.: Изд-во АН СССР, I960. - 100 с.

4. Федосова К.С., Безусов А.Т., Застосування рідкого азоту для підвищення крихкості шкарлупи при розколюванні водяного горіха // Холодильна техніка і технологія. - 2003. - № 2. - С. 55-60.

5. Murfy V.L.N., Chouilhury D., Bagglii P. Physicochemical studies of water chestnut starch (Trapa bispinosa Roxb) // Canadian Journal of Chemistry. - 1962.-40. -№ 11. -P. 2260-2265.

6. Structure and properties of water chestnut (Trapa-Natans L var Bispinosa Makino) starch /' A. Hizukuri, S. Takeda, Y. Shitaozono a. o. // Starch-Starke. - 1988. - 40. - № 5. - P. 165-171.

7. Parker M.L., Waldron K.W. Texture of Chinese water chestnut-involvement of cell-wall phenolics// J. of the Science of Food and Agriculture. - 1995. - 68. - № 3. - P. 337-346.

8. New approaches to understanding and controlling cell separation in relation to fruit and vegetable texture / K.W. Waldron, A.C. Smith, A.J. Parr a.o. //Trends in Food Science & Technology. - 1997. -8.

D 111 OOl JC * . — x. . A. A.J—t ,

9. Флауменбаум Б.Л., Эль-Бари M.C., Сторожук B.H., Иммам А.Б. Кинетика набухания сушеных бобов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1980. -№5.-С. 126—І29.

Ю. Мслышк I.B., Флауменбаум Б.Л., Сгорожук В.М. Аналіз та обґрунтування параметрів попередньої обробки бобів нугу в технології консервованих харчових продуктів // Наукові праці ОДАХТ. - 1998. -№ 18. - С. 67-70.

11. Флауменбаум БЛ. Основы консервирования пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 272 с.

12. Флауменбаум Б.Л., Танчев С.С., Гришин М.А. Основы консервирования пищевых продуктов. -М.: Агропромиздат, 1986. -494 с.

Кафедра технологии консервированных продуктов

Поступила 17.06.03 г.