Определение степени усвоения переносимых компонентов крахмалосодержащего сырья организмом человека в процессе термической обработки на основе термодинамического анализа Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК [536.75:544.33/.34 ]:[641.524.2:633.491:612.015]

Определение степени усвоения переносимых компонентов крахмалосодержащего сырья организмом человека в продессе термической обработки на основе термодинамического анализа

Determination degree of assimilation tolerability components starch containing raw material by the human body during thermalprocessing based on thermodynamic analysis

Доцент A. X.-X. Нугманов, профессор И.Ю. Алексанян, (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)614-191 E-mail: albert909'Y/yandex.ru

профессор В.М. Позняковский (Сочинский государственный университет) научно-образовательный центр здорового питания и индустриальных технологий, тел. (8988)505-42-11 E-mail: artlife.sochi(fl'yandex.ru

Associate Professor A.H.-H. Nugmanov, Professor I.Yu. Aleksanyan,

(Astrakhan state technical university) chair of technological machines and equipment,

tel. (8512)614-191

E-mail: albert909(fl yandex.ru

Professor V.M. Poznyakovsky (Sochi State University) scientific and educational center of healthy food and industrial technologies, tel. (8988)505-42-11 E-mail: artlife.sochi(«yandex.ru

Реферат. Усвояемость пищи - это степень использования содержащихся в ней пищевых пли питательных веществ. Химический состав пищевого продукта только косвенно характеризует эту степень. На сегодняшний день количественную способность к всасыванию (коэффициент усвояемости) выражают в процентах к общему содержанию данного пищевого вещества в продукте или рационе. Предложен оригинальный метод, позволяющий определить степень усвоения компонентов пищевых продуктов, пищевых калорий, витаминов и других веществ, организмом человека, а также изменение энергетической и пищевой ценности продукта в процессе термической обработки. В качестве примера приводится подробный расчет степени усвоения картофеля при его варке на пару. Учитывая, что продукты животного и растительного происхождения являются сложными биополимерными системами, к ним можно применить основные положения физической химии полимерных и белковых веществ. Определив из полученных термодинамических кривых равновесия (изотерм сорбции или десорбции) для любого продукта значение энтропийной составляющей при необходимой по технологии влажности материала до и после обработки (разница энтропийных составляющих), можно найти степень усвоения переносимых компонентов пищевых продуктов, пищевых калорий (изменение калорийности), витаминов, а также изменение энергетической и пищевой ценности продукта в процессе обработки.

Summary. Comprehensibility of food is extent of use containing in it food or nutrients. The chemical composition of foodstuff only indirectly characterizes this degree. Today the quantitative capability to absorption (comprehensibility coefficient) is expressed as a percentage to general content of this feedstuff in a product or a diet. The original method allowing to determine extent of assimilation of components of foodstuff, food calories, vitamins and other substances, a human body and also change of an energy and nutrition value of a product in the course of heat treatment is offered. Detailed calculation of extent of digestion of potatoes in case of its steam boiling is given as an example. Considering that products of an animal and a phytogenesis are difficult biopolymer systems, it is possible to apply basic provisions of physical chemistry to them polymeric and albumens. Having determined from the received thermodynamic curves of balance (isotherms of sorption or a desorption) for any product value of an entropy component in case of humidity of material, necessary on technology, before handling (a difference of entropy

С1 Нугманов A.X.-X., Алексанян И.Ю., Позняковский B.M., 2016

of entropy components), it is possible to find extent of assimilation of transferable components of foodstuff, food calories (change of caloric content), vitamins, and also change of an energy and nutrition value of a product in processing.

Ключевые слова: термодинамический анализ, кривые равновесия, изотерма сорбции (десорбции), термодинамическая энтропия, энергетическая ценность.

Keywords: thermodynamic analysis, the curves of equilibrium sorption isotherms (desorption), thermodynamic entropy, energy value.

Утверждение о том, что термодинамический анализ на основе обработки изотерм сорбции (десорбции), зависимости между равновесными параметрами (относительной влажностью воздуха или активностью воды и влагосодержанием продукта Aw = f {Wp)) определяет только энергию связи влаги с материалом, не корректно, т. к. энергия связи влаги с сухим веществом явно зависит от связи молекул, частиц или фракций между собой, т. е. эти силы взаимодействия между собой и водой переплетены, и в большой степени определяются энергетической энтропийной составляющей [1]. Это происходит особенно при диспергировании продукта, его механической или тепловой обработке (измельчении, варке и т. п.), при увеличении энтропии системы и повышении степени усвоения пищевых компонентов и калорий организмом человека [2-6].

Вид п характер изотерм сорбции большинства пищевых продуктов практически совпадают. Отличия численных значений термодинамических коэффициентов массопереноса и гигроскопических характеристик обусловлены различными видами и степенью тепловой обработки или гидролиза сырья [3, 7].

Учитывая, что продукты животного и растительного происхождения являются сложными биополимерными системами, к ним можно применить основные положения физической химии полимерных п белковых веществ, разработанные в трудах Каргпна В. А., Слонимского Г. И., Китайгородского А. И. и т.д. Согласно классификации БЭТ (С. Брунауэра, Л. Деминга. В. Деминга. Р. Эммета и Б. Теллера) изотермы продуктов животного происхождения (изотермы растительного происхождения) можно отнести к III типу, как и изотермы чистых аминокислот и пептидов, со значительным влиянием на сорбционную активность различных полярных групп [ 1, 8].

Статика процессов взаимодействия с водой и анализ изотерм сорбции позволяет установить п количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно-

_ rj, d(AS~)

пзобарно-пзотермического процесса, где I —— - энтропийная составляющая

aWp

свободной энергии.

Характер изменения Т свидетельствует о значительной гибкости

макромолекул и наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл), об ориентационном, структурном (иммобилизационном) и осмотическом механизме их взаимодействия с водой.

Уравнение Гиббса-Гельмгольца базируется на правиле фаз Гиббса, определяющем число степеней свободы системы (число независимых параметров, которые можно выбирать произвольно, и они определяют значения всех остальных параметров) Scc = k — f + 2, где к - число компонентов, /- число фаз

[1.7].

При тепловой и механической обработке (диспергировании) системы (пищевых продуктов или смесей), на первый взгляд, сохраняется число компонентов, а число подобных фаз, фракций, частиц, контактирующих между собой, возрастает, что по идее уменьшает число степеней свободы системы Scc. При этом уменьшается связь между частицами, т. е. энтропия системы растет, а следовательно растет и Scc, а также степень усвоения компонентов диспергированных частиц организмом человека.

Определив из полученных зависимостей для любого продукта значение энтропийной составляющей при необходимой по технологии влажности материала до и после обработки (разница энтропийных составляющих), можно установить степень усвоения переносимых компонентов пищевых продуктов Кусв, пищевых калорий (изменение калорийности), витаминов организмом, а также изменение энергетической и пищевой ценности продукта в процессе обработки.

В качестве примера приведем расчет степени усвоения переносимых компонентов пищевых продуктов KycB, пищевых калорий (изменение калорийности) в картофеле.

Для расчета Кусв необходимо построить изотермы сорбции Aw = f(Wp) и LnAw = f(Wp) сырого картофеля, отварного картофеля целого и отварного картофеля измельченного.

Для нахождения необходимых зависимостей проводили эксперимент по методу Ван-Бамелена (тензотермический или эксикаторный метод). Экспериментальные и расчетные данные представлены в табл. 1,2.

Таблица 1

Экспериментальные данные для построения зависимости Aw = /(Ир) __(температура 25 °С)__

Активность Сырой картофель Wp, Отварной картофель Отварной картофель

воды Aw, % целый Wp, % измельченный Wp, %

доля

0 0 0 0

0,045 0,90 0,32 0,14

0,090 1,20 0,32 0,14

0,160 1,79 0,48 0,28

0,250 2,08 0,48 0,28

0,350 3,23 0,48 0,28

0,455 4,62 0,63 0,28

0,565 7,30 0,79 0,41

0,665 9,84 2,18 0,83

0,750 12,00 3,68 2,31

0,825 15,38 5,42 3,74

0,880 18,11 7,37 6,74

0,920 20,29 10,92 10,00

0,955 24,31 13,97 13,57

0,980 26,67 18,12 17,24

1 27,95 20,61 19,55

По экспериментальным и расчетным данным построены изотермы сорбции картофеля до и после тепловой и механической обработки (рис.1, 2).

Таблица 2

Расчетные данные для построения зависимости 1п Ли, = /(И^,)

Логарифм Сырой картофель И^,, Отварной картофель Отварной картофель из-

активности кг/кг целый , кг/ кг мельченный ]/Ур , кг/кг

воды 1пЛш

-3,101 0,009 0,0032 0,0014

-2,408 0,012 0,0032 0,0014

-1,833 0,0179 0,0048 0,0028

-1,386 0,0208 0,0048 0,0028

-1,050 0,0323 0,0048 0,0028

-0,787 0,0462 0,0063 0,0028

-0,571 0,0730 0,0079 0,0041

-0,408 0,0984 0,0218 0,0083

-0,288 0,1200 0,0368 0,0231

-0,192 0,1538 0,0542 0,0374

-0,128 0,1811 0,0737 0,0674

-0,083 0,2029 0,1092 0,1000

-0,046 0,2431 0,1397 0,1357

-0,020 0,2667 0,1812 0,1724

0 0,2795 0,2061 0,1955

Атг; дол. ед

3

/ /

1 ■

о

1 ) 1 5 2 0 2 5

Рис. 1. Изотермы сорбции картофеля до и после тепловой и механической обработки при температуре 25 °С: 1 - картофель отварной измельчённый; 2 - картофель отварной целый; 3 - картофель сырой

Рис. 2. Зависимость 1п Ащ = /(И^,), построенная по данным табл. 2: 1 - картофель отварной измельчённый; 2 - картофель отварной целый; 3 - картофель сырой

На каждом участке зависимость \r\Aw=f(Wv) (табл. 3) можно аппроксимировать линейным уравнением:

1п Ап = агЩ, + Ъи (1)

где ас; Ь^ - эмпирические коэффициенты; {- номер зоны.

Таблица 3

Аппроксимация кривых изотерм сорбции картофеля линейными уравнениями по зонам

Картофель сырой (кривая 3, рис. 3)

Диапазон по Wv

Зона 1 Зона 2 Зона 3

От 0,009 до 0,0323 От 0,0323 до 0,1192 От 0,1192 до 0,2795

ai Ь,- bi O-i bi

88,026 -3,8932 9,666 -1,3622 1,31 -0,362215

Картос эель отварной целый (кривая 2, рис. 3)

Диапазон по Wp

Зона 1 Зона 2 Зона 3

От 0,0032 до 0,0079 От 0,0079 до 0,0737 От 0,0737 до 0,2061

ai ъ, ai bi a-i bi

538,3 -4,824 7,462 -0,630 0,604 -0,1245

Картофель отварной измельчённый (кривая 1, рис. 3)

Диапазон по ИС,

Зона 1 Зона 2 Зона 3

От 0,0014 до 0,0041 От 0,0041 до 0,0374 От 0,0374 до 0,1955

а,; ь,- а, bi bi

937,04 -4,413 13,363 -0,626 0,796 -0,1556

Продифференцируем уравнение Гиббса - Гельмгольца

AF = АЕ - Т ■ AS, (2)

где АЕ, AS - изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по Wp при Р, Т = const получим:

/aдF^ _ (дАЕ\ /ал5\

~ КЩ)Т, ~ т' \Щ)Т,Р (3)

Изменение внутренней энергии АЕ полуфабриката в процессе теплового или механического воздействия (например, от сырого картофеля до отварного, а в последствии и протёртого) в точке постоянного Щ, равно:

АЕ = Т ■ Ас, (4)

где Ас - полученная разность теплоёмкости обрабатываемого продукта до и после обработки. Исходя из того что теплоёмкость величина аддитивная, при данных условиях изменение Ас = 0, отсюда следует, что и изменение АЕ = 0.

Тогда, учитывая что энергия связи влаги с материалом Е равна: /дДF^

отсюда

/ dAF\

= R-T- \nAw (6)

тогда получим

R-T-\nAw = —Т • AS

ИЛИ

-Д5 = Я-\пАш, (7)

где Д5 - интегральная энтропийная составляющая свободной энергии связи Гпббса.

Учитывая, что молярная масса воды равна 0,018 кг, получим величину Д5 IЦж/(кг ■ .К)) в виде

1

-Д5 = Я ■ 1пАш = ——- ■ Я ■ 1пАш = 55, (5) ■ Я ■ 1пАш, (8)

0,(По

где Я = 8,314 {Дж/(моль - К))

Учитывая, что на каждом участке зависимость 1п А-^ = f(Wp) аппроксимирована линейным уравнением (1), изменение энтропии можно записать в следующем виде:

—Д5 = 8,314 ■ 55,5 ■ (а£ ■ + Ь£) (9)

Тогда для каждой зоны — Д5 будет равна:

-Д5 = 8,314 ■ 55,5 I (аг ■ Шр + Ъ{)ашр (10)

По формуле (10) просчитывается Д5, результаты сведены в табл. 4

Таблица 4

Значения интегральной энтропийной составляющей свободной энергии связи Гиббса

Картофель сырой

Зона 1 Зона 2 Зона 3 Весь диапазон

Д5 (ЩжКкг ■ К)) Д5 ((ДжКкг-К)) Д5 {(Дж/(кг ■ К)) Д5 (Щж/(кг ■ К))

22,31 25,26 7,48 55,05

Картофель отварной целый

Зона 1 Зона 2 Зона 3 Весь диапазон

АБ((Дж/(кг-К)) Д5 0Дж/(кг ■ К)) Д5(СЦж/(кг-Ю) АБ((Дж/(кг-К))

3,98 9,88 2,44 16,3

Картофель отварной измельченный

Зона 1 Зона 2 Зона 3 Весь диапазон

Д5 ((Дж/(кг ■ К)) Д5 ((Дж/(кг ■ К)) А5((Дж/(кг-Ю) Д5 ((Дж/(кг-К))

2,29 5,36 4,59 12,24

Для нахождения действительной необходимо определить

гигроскопическую область 5г ,в которую попадает исследуемый объект. Гигроскопическая область - это область существования изотерм сорбции (десорбции) в координатах А^ = или 1п Л^ = /(Щ,).

Тогда Д5МСОТ можно найти пз выражения:

ЬБист = Я ■ 5г - Д5 = 8,314 ■ 55,5 ■ 5г - Д5 (11)

Изменение 1п Ауу для картофеля от сырого до отварного измельченного лежит в интервале (рис. 3) -3,101 - 0,00. Изменение И^, для каждого полуфабриката различно (рис. 3): для картофеля сырого - 0,009...0,2795, для картофеля отварного целого - 0,0032...0,2061, для картофеля отварного измельченного - 0,0014...0,1955. Расчетные данные по Бг внесены в табл. 5.

Рис. 3. Линейно аппроксимированные изотермы сорбции картофеля до и после тепловой и механической обработки при температуре 25 °С: 1 - картофель отварной измельчённый; 2 - картофель отварной целый; 3 - картофель сырой

Таблица 5

Значения Бг для картофеля в различных технологических состояниях

Картофель сырой 0,839

Картофель отварной целый 0,629

Картофель отварной измельченный 0,602

Зная значения Бг для картофеля в различных технологических состояниях найдем значения действительной Л5МСОТ по формуле (11) (табл. 4).

Таблица б

Значения АБист для картофеля в различных технологических состояниях

Технологическое состояние А5игт,((Дж/(кг-К))

Картофель сырой 332,1

Картофель отварной целый 273,9

Картофель отварной измельченный 265,5

Разность энтропийных составляющих до и после переработки объекта исследования, отнесенная к изменению свободной энергии системы ДF, характеризует работу, затраченную на изменение энтропии системы, и, как следствие, - на изменение степени усвоения кулинарной продукции организмом

Кусе-

(АЕ - ГД5)К0„ - (ДЕ - ГД5)„ач (ДБ - ТАБ)кт (ДБ - ТД5)

Л™ —

(Д£--ТД5),0Н (АЕ - ГД5)Г0Н (АЕ - ТАБ)К0Н

(АЕ- ТАБ)нач

САЕ-ТАБ)кон

отсюда

(ДЯ - ГД5)нач _ (АЕ -

Учитывая, что при данных условиях изменение АЕ = 0 (как было уже отмечено выше), Кусе можно определить следующим образом:

-ТАБкон

или

Д5,

"усе - 1 — тт:—■ (12)

кон

Рассчитаем по формуле (12) Кусв для случая варки картофеля на пару и его дальнейшей протирки (измельчения):

Д5чвч 332,1 Кус« = 1 - т^ = 1 - = 1 - 1.25 = -0,25,

Знак «минус» указывает на снижение связанной энергии, что ведет к увеличению свободной энергии, а значит к увеличению энтропии системы. Для дальнейшего использования значения Кусв его берут по модулю, т.е. Кусв = |—0,25| = 0,25.

Полученные данные, как и комплекс зависимостей структурно-механических и теплофизических характеристик пищевых продуктов и смесей от влияющих факторов, необходимы для физико-математического моделирования процессов обработки продуктов питания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нугманов, А. Х.-Х. Научно-практические подходы к конструированию многокомпонентных пищевых систем в технологии общественного питания [Текст] : монография / А. Х.-Х. Нугманов. - Астрахань, 2016. - 96 с.

2. Австриевских, А. Н. Продукты здорового питания: новые технологии, обеспечение качества, эффективность применения [Текст] / А.Н.Австриевских. -Новосибирск, 2005. - 416 с.

3. Баранов, Б.А. Теоретические и прикладные аспекты показателя «активность воды» в технологии продуктов питания [Текст] : дис. на соиск. уч. степ, д-р тех. наук / Баранов Б.А. - СПб., 2000. - 247 с.

4. Кифер, И. Все о калориях. Азбука питания [Текст] / И. Кифер. - М.: Радуга, 2000. - 224 с.

5. Нугманов, А. Х.-Х. Анализ системных связей между энергетической ценностью продукта и пищевой энергией, потребляемой человеком, с учетом влияния варьируемых факторов [Текст] / А. Х.-Х. Нугманов, Н. П. Золина // Вестник АГТУ. - 2009. - № 2. - С. 114-117.

6. Фен, Дж. Машины, энергия, энтропия [Текст] / Дж. Фен: пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 336 с.

7. Алексанян И. Ю., Титова Л. М., Нугманов А. Х-Х. Автоматизированное прогнозирование свойств сложных многокомпонентных продуктов питания при изменении их калоража [Электронный ресурс]: тез. докл. - Астрахань: Издательство АГТУ, 2014.

8. Липатов, Н. Н. Методология проектирования продуктов питания с требуемым комплексом показателей пищевой ценности [Текст] / Н. Н. Липатов, И.А. Рогов // Известия вузов. Пищевая технология. - 1987. - № 2. - С. 9-15.

НЕРЕНЕГГСЕЗ

1. Nugmanov A. X.-X. Nauchno-prakticheskie podkhody k konstruirovaniyu mnogokomponentnykh pishchevykh sistem v tekhnologii obshchestvennogo pitaniya [Scientific and practical approaches to designing of multicomponent food systems in technology of public catering], Astrakhan, 2016, 96 pp. (Russian).

2. Avstriyevskikh A. N. Produkty zdorovogo pitaniya: novye tekhnologii, obespechenie kachestva, effektivnost' primeneniya [Products of healthy food: new technologies, quality assurance, efficiency of application], Novosibirsk, 2005, 416 pp. (Russian).

3. Baranov В.A. Teoreticheskie i prikladnye aspekty pokazatelya «aktivnost' vody» v tekhnologii produktov pitaniya [Theoretical and applied aspects of an indicator «activity of water» in technology of food]: Avtoref. dis....dok.tekh. nauk, St. Petersburg, 2000, 247 pp. (Russian).

4. Kiefer I. Vse о kaloriyakh. Azbuka pitaniya [Vsa about calories. Alphabet of food], Moscow, 2000, 224 pp. (Russian).

5. Nugmanov A. X.-X. Analiz sistemnykh svyazey mezhdu energeticheskoy tsen-nost'yu produkta i pishchevoy energiey, potreblyaemoy chelovekom, s uchetom vliyani-ya var'iruemykh faktorov [The analysis of system communications between the energy value of a product and food energy consumed by the person taking into account influence of the varied factors] Vestnik AGTU, 2009, No 2, pp. 114-117 (Russian).

6. Hair diyer J. Mashiny, energiya, entropiya [Machines, energy, entropy], Moscow, 1986, 336 pp. (Russian).

7. Aleksanyan I. Yu., Titova L. M., Nugmanov A. X-X. Avtomatizirovannoe prognozirovanie svoystv slozhnykh mnogokomponentnykh produktov pitaniya pri iz-menenii ikh kalorazha [The automated forecasting of properties of difficult multicompo-nent food in case of change of their kalorazh] [An electronic resource], Astrakhan, 2014 (Russian).

8. Lipatov N. N. Metodologiya proektirovaniya produktov pitaniya s trebuemym kompleksom pokazateley pishchevoy tsennosti [Metodologiya of designing of food with a required complex of indicators of a nutrition value], Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya, 1987, No 2, pp. 9-15 (Russian).