CC BY
31
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПИЩЕВОМ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
= ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.43
Определение экстрактивности пивоваренного солода
методом ЯМР-протонов
А.Ю. Сидоренко, асп., М.В. Гернет, д-р техн. наук, проф. Московский государственный университет пищевых производств
Экстрактивность - один из основных технологических показателей пивоваренного солода. От экстрактивности зависит расход сырья в пивоваренном производстве, что оказывает решающее влияние на себестоимость продукции.
Определение экстрактивности - один из массовых анализов, проводимых при поступлении солода на завод, при его хранении, поступлении в производство.
В настоящее время экстрактивность определяют традиционным путем методом измельчения солода и его кипячением в течение времени, достаточного для экстрагирования растворимых веществ солода [1].
Экстрактивность солода зависит от физико-химических характеристик его сухих веществ. Одна из важных характеристик- его гигроскопичность, которая косвенно характеризует способность ингредиентов солода к взаимодействию с молекулами воды, а следовательно, к экстрактивности.
Гидратные характеристики солода были изучены методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Гигроскопичность солода определяли методом протонного магнитного резонанса. Ча-
Рис. 1. Разложение центральной узкой линии спектра в ЯМР Н солода «Скарлет - 50 %, Анабель - 50 %» на две лоренцевые линии по программе ЦЫЕВШ: 1 -сигнал слабо связанной воды (хим. сдвиг 6,2 м.д, Дн 2718 Гц.); 2 - сигнал прочно связанной воды (хим. сдвиг2,8 м.д., Дн 540 Гц.)
стота резонанса протона водорода (1Н) составляла 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 [2].
Спектры всех изученных образцов солода указывали на то, что центральная узкая линия спектров имеет асси-метричный характер. Такой вид кривой свидетельствует о том, что она состоит из двух перекрывающихся линий, различающихся химическими сдвигами, шириной линий и относительными интегральными интенсивностями. Разложение центральных узких линий спектров на две лоренцевые линии было проведено по итерационной процедуре по программе 1_1ЫЕБ!М, которая входит в математическое обеспечение спектрометров фирмы Вгикег. В качестве примера на рис. 1 показано разложение спектра ЯМР 'Н (200,13 МГц) узкой центральной линии образца солода «Скарлет - 50 %, Анабель - 50 %» на две лоренцевые линии.
Выделенные две кривые говорят о том, что влажность солода обусловлена присутствием протонов, имеющих различные магнитные характеристики.
При анализе ЯМР-спектров разложения центральной узкой линии на две лоренцевые линии для дифференциации указанных двух групп подвижных протонов используют термины «свободная» и «связанная» вода. Такая терминология носит условный, специфический для исследователей характер и не отражает фактическое состояние воды в объектах исследования. Вся вода, определяемая при помощи данного метода, является связанной. Различия между ними могут заключаться только в различной степени связывания, т. е. неодинаковой степени взаимодействия с матрицей объекта исследования [2].
Поэтому воду, способную к более легкому удалению, предложено определять как «слабо связанную», а воду, более прочно адсорбированную поверхностью вещества, - как «прочно связанную» воду. Линия 1 (см. рис. 1) с большим химическим сдвигом 1Н (С = 6,0-6,5 м.д.) соответствует слабо связанным молекулам воды, а линия 2 с меньшим химическим сдвигом (С = 2,5-3,0 м.д.) соответствует протонам прочно связанной воды. Прочно связанную воду можно рассматривать как связанную за счет водородных связей с группами С-ЫИ2, С-ОН биоорганических молекул. Между этими группами происходит быстрый протонный обмен, что и обусловливает усредненную узкую линию 2 (см. рис. 1) с химическим сдвигом с1 = 2,5-3,0 м.д. Такая прочно связанная вода указывает на
Характеристика образцов солода, исследованных методом ЯМР 1Н
№ п.п. Экстрактивность, % к массе СВ-солода Тип воды (по данным ЯМР) Характеристики ЯМР-исследования
относительная интегральная интенсивность, % суммарная интегральная интенсивность, %
Слабо связанная 5,4
1 80,3 9,1
Прочно связанная 3,7
Слабо связанная 6,02
2 82,2 9,3
Прочно связанная 3,28
Слабо связанная 6,8
3 81,1 9,9
Прочно связанная 3,1
Слабо связанная 9,2
4 81,3 12,3
Прочно связанная 3,1
Слабо связанная 5,5
5 80,2 9,1
Прочно связанная 3,6
Слабо связанная 6,9
6 80,0 10,6
Прочно связанная 3,7
Слабо связанная 6,3
7 79,5 10,4
Прочно связанная 4,1
ANALYTICAL DEVICES FOR FOOD PROCESSING INDUSTRY
количественное содержание гидро-ксильных и аминогрупп в солоде. Результаты идентификации различных видов связанной воды в образцах солода приведены в таблице.
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 (6 = 5,5-6,6 м.д., Dn = 2400-2800 Гц) и прочно связанной (6 = 2,4-3,0 м.д., Dn = 500-650 Гц) воды и их относительные концентрации в (%).
Одновременно в исследуемых образцах по известным методикам [2] были определены значения экстрак-тивности. С целью установления взаимосвязи характеристик солода, полученных традиционными методами и методом ЯМР-спектроскопии, результаты были сопоставлены.
На рис. 2 показаны соотношения общей (интегральной) влажности солода, определенной ЯМР-методом, и содержания сильно связанной, слабо связанной воды и влажности по данным высушивания, а также аппроксимирующие кривые и описывающие их линейные уравнения. Как видно из рис. 2, графики влажности, определенной методом высушивания, и слабо связанной воды практически совпадают и описываются близкими уравнениями.
Полученные графики могут быть описаны уравнениями прямых: для слабо связанной воды: у = 0,652х, (1)
для влажности, определенной методом высушивания: у = 0,657х, (2) для сильно связанной воды: у = 0,345х. (3)
График сильно связанной воды лежит гораздо ниже, а его уравнение характеризуется меньшим углом наклона к оси абсцисс (1д угла наклона для слабо связанной воды - 0,652, а для сильно связанной - всего лишь 0,345). Такое расположение графиков говорит о том, что определяющий вклад в интегральную влажность вносит слабо связанная вода, так как с ростом интегральной влажности растет в основном слабо связанная вода, а сильно связанная остается практически неизменной (изменяется незначительно). Совпадение графиков слабо связанной воды и влажности, определенной высушиванием, говорит о том, что при высушивании учитывают только слабо связанную воду. Поэтому для экспресс-измерения влажности солода можно рекомендовать использовать ЯМР-методи-ку, а в качестве влажности рассматривать слабо связанную воду.
Прочно связанная вода не коррелирует с интегральной влажностью соло-
да и имеет меньшее значение, нежели слабосвязанная вода.
Слабо связанная вода может быть идентифицирована как адсорбционно-координированная вода второго и последующих адсорбционных слоев капилляров солода. Количество абсорб-ционно-координированной воды зависит от пористости солода, численно может быть описано скейлинговым показателем [2] и использовано для оценки влажности и кинетики экстракции сухих веществ солода.
Как указано выше, количество прочно связанной воды обусловлено химическим составом солода и связано с наличием гидроксильных и аминогрупп, которые, в свою очередь, характеризуют углеводно-белковый состав солода. Количество прочно связанной воды может быть использовано для оценки количества экстрагируемых веществ солода. На рис. 3 приведена зависимость экстрактивности солода от количества прочно связанной воды. Как видно из рис. 3, по мере увеличения количества прочно связанной воды экстрактивность солода снижается. Данный эффект может быть объяснен с позиции теории диффузии. Согласно уравнению коэффициента диффузии в уравнении Фика [3], количество экстрагированных веществ обратно пропорционально эффективному диаметру экстрагируемых частиц.
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 молекул химических веществ солода. Такой характер сорбции влаги приводит к существенному увеличению эффективного размера экстрагируемых веществ, что в итоге обусловливает снижение экстрактивности солода. Представленная на рис. 3 зависимость может быть аппроксимирована квадратичным уравнением:
Эс= 1,3 (Вп) 2- 11,7 Вп + 105,43, (4)
где Эс- экстрактивность солода, %; Вп- содержание прочно связанной воды, определенное методом ЯМР, %.
Величина достоверности аппроксимации (Я2) уравнения составляет 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
у =0,6523) +
* ¥-0. ¡57*
t i
у = 0,3*156*
7 8 9 10 11 12 • Интегральное содержание общей воды в солоде, по данным ЯМР, %
Рис. 2. Зависимость от интегральной ЯМР-влажности: ♦ ~ слабо связанной воды; ш ~ сильно связанной воды; ~ влажности, определенной физико-химическими методами (3)
двух видов: прочно и слабо связанной воды. Слабо связанная вода характеризует степень доступности функциональных групп биополимеров солода для молекул воды и соответствует влажности, определяемой методом высушивания. Прочно связанная вода характеризует количество функциональных групп, способных устанавливать прочные водородные связи с молекулами адсорбированной воды. Прочно связанная вода может служить способом определения экстрактивности солода. Получено аппроксимирующее выражение для описания данной зависимости.
ЛИТЕРАТУРА
1. ЕрмолаеваГ.А. Справочник работника лаборатории пивоваренного предприятия. - СПб.: Профессия, 2004.
2. Гернет М.В., Сидоренко А.Ю., Уг-розов В.В., Лебедев Я.А., Михайлик В.А. Изучение гидратации сухих веществ пивного сусла методом дифференциальной сканирующей калориметрии/гранение и переработка сельхозсырья. 2008. №7. С. 15-19.
3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия. 1973.
2
