CC BY
113
УДК 633.521:664.641
Реологические свойства растворов полисахаридов
семян льна
И. Э. Миневич, канд. техн. наук; Л. Л. Осипова; В. А. Зубцов, д-р мед. наук Всероссийский научно-исследовательский институт механизации льноводства, г. Тверь
В настоящее время пищевые волокна широко используются в технологиях продуктов для населения. В группу пищевых волокон входят полисахариды, полученные из сырья растительного, животного или микробного происхождения, обладающие широким спектром свойств: эмульгирование, гелеобразование, стабилизация пищевых систем. Растительным источником пищевых растворимых волокон может служить и слизь семян льна. Ее содержание составляет от 5 до 10% в зависимости от сорта, климатических условий выращивания льна [1].
Льняная слизь представляет смесь водорастворимых полисахаридов, включающих, главным образом, 1_-лактозу, й-ксилозу, 1_-рамнозу и й-галактуроновую кислоту. Полисахариды слизи образуют две основные фракции: нейтральную и кислую. Нейтральные полисахариды, или ара-биноксиланы, состоят из остатков ксилана, соединенных р (1^4) связями в основной цепи, и 1_-арабинозы и й-галактозы в боковых цепях. Отрицательно заряженная фракция содержит 1_-рамнозу, й-галактозу, й-галактуроновую кислоту. Опорными скелетными полисахаридами кислой фракции считаются полисахарид из остатков рамнозы, соединенных в положении а (1^2), и полисахарид из остатков галактуроновой кислоты. Боковые цепи образованы фуко-зой и галактозой. Соотношение этих фракций зависит от генотипа льна и во многом определяет свойства полисахаридов льняных слизей, в том числе и реологические [2].
Диапазон вязкости растворов полисахаридов льняной слизи от практически вязкой жидкости до почти упругого геля обусловлен изменением концентрации полисахаридов, их ветвлением, молекулярной массой, соотношением кислой и нейтральной фракций, а также условиями экстракции, таких как рН, температура и гидромодуль [3].
По реологическим свойствам полисахариды льняной слизи близки к гуаровой камеди, широко использующейся в пищевом производстве [4]. Полисахариды слизи семян льна представляют практический интерес, так как могут выступать в качестве водоудерживающего агента, тексту-ратора и связующего компонента в производстве пищевых изделий и стать перспективным ингредиентом, использование которого позволит частично снизить потребность в импортных компонентах.
Цель работы - исследование реологических свойств растворов полисахаридов льняной слизи, выделенных из отечественных сортов льна.
Полисахариды выделяли из семян льна российской селекции: льна масличного для промышленной переработки (ГОСТ 10582-76); масличного льна сорта ЛМ-98, предоставленных ВНИИ льна (г. Торжок); льна-долгунца сортов Ленок и Дипломат. Физико-механические характеристики используемых сортов приведены в табл. 1.
Экстракцию полисахаридов из семян льна проводили в дистиллированной воде при температуре 60 °С в течение 2 ч при постоянном пере-
Физико-механические свойства исследуемых сортов льна
Таблица 1
Вид льна Влажность, % Масса 1000 семян, г Абсолютная масса семян, г Насыпная масса, кг/ м3
Масличный промышленный 4,05 7,61 7,30 690
Масличный сорта ЛМ-98 5,50 4,49 4,24 714
Лен-долгунец сорта Дипломат 5,42 4,83 4,57 758
Лен-долгунец сорта Ленок 5,00 4,27 4,06 720
мешивании. Соотношение семян льна и растворителя (гидромодуль) составляло 20. Полученный экстракт отделяли от семян льна через 4-слойный марлевый фильтр. Полисахариды высаживали в 3-кратный избыток этилового спирта. Осадок отжимали, промывали ацетоном и сушили при температуре до 50 °С.
Для исследований в работе использовали экстракты льняной слизи, полученные после отделения семян льна и высушенные полисахариды, полученные после переосаждения в избытке этилового спирта.
Кинематическую и динамическую вязкость экстрактов льняных слизей определяли по ГОСТ 33-82 с использованием вискозиметра ВПЖ-2 (d-3,55 мм, константа вискозиметра - 10, 861 мм2/ с2) при постоянной температуре 20 °С.
Вязкость разбавленных растворов полисахаридов льняной слизи измеряли с использованием вискозиметра Уббелоде (диаметр капилляра - 1,16 мм, константа - 0,1 мм2 / с2) при постоянной температуре 20 °С.
Реологические характеристики, такие как относительная, удельная, приведенная и характеристическая вязкость определяли в разбавленных растворах в интервале концентраций 0,0625-0,11% в дистиллированной воде и в 0,1 М растворе NaCL.
Характеристическую вязкость [п] растворов полисахаридных комплексов определяли экстраполяционным методом из концентрационных зависимостей приведенной вязкости [5].
Константу Хаггинса k' рассчитывали по \/плвнению
*-еГ
где А1 - tg угла наклона графика
Пуд/ С = f(0, Д =tg ß.
Математическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием стандартного пакета программы Microsoft Excel и с помощью встроенных статистических функций анализа данных.
Полисахариды льняной слизи проявляют различные реологические свойства в зависимости от сорта, методов экстракции и их выделения из растворов, а также методов измерений. Динамическую и кинематическую вязкость экстрактов слизей семян льна определяли после проведения экстракции, результаты которой приведены в табл. 2.
В соответствии с полученными данными высокими вязкостными характеристиками нативных экстрактов обладают полисахариды слизей семян льна масличного сорта ЛМ-98. Их вязкость более чем в 2 раза превышает аналогичный показатель по-
PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF THE OIL AND FAT COMPLEX IN RUSSIA
Таблица 2
Вязкость экстрактов льняных слизей семян льна разных сортов
Вид льна Кинематическая вязкость у, мм2 / с Динамическая вязкость п^10-3 МПа<
Масличный сорта ЛМ-98 102,41+3,10 104,74+3,14
Масличный промышленный 50,40+1,51 51,16+1,53
Лен-долгунец сорта Ленок 46,81+1,40 47,33+1,42
Лен-долгунец сорта Дипломат 21,71+0,65 22,05+0,66
Рис. 1. Концентрационные зависимости приведенной вязкости водных растворов полисахаридных комплексов, выделенных из семян льна разных сортов: 1 - сорт Дипломат (лен-долгунец); 2 - сорт Ленок (лен-долгунец); 3 - масличный лен (промышленный); 4 - сорт ЛМ-98 (масличный)
Н^О 0,1МГЧаС1_
Рис. 2. Характеристическая вязкость ПС комплексов в воде и 0,1 М растворе №С1: 1 - сорт ЛМ-98 (масличный); 2 - масличный лен (промышленный); 3 - сорт Ленок (лен-долгунец); 4 - сорт Дипломат (лен-долгунец)
лисахаридов, выделенных из других сортов. В отличие от других исследованных сортов эти семена имеют светлую окраску (светло-бежевый цвет). Наименьшей вязкостью характеризуются экстракты, выделенные их семян льна-долгунца сорта Дипломат. Полисахариды слизей семян льна исследованных сортов по вязкостным характеристикам экстрактов можно расположить в такой последовательности: ЛМ-98 (масличные) > Масличные (промышленные) > Ленок (лен-долгунец) > Дипломат (лен-долгунец). Высокая вязкость экстрактов слизей семян льна сорта ЛМ-98 соответствует данным источника [6], в котором показано, что 65,4% полисахаридов слизи семян льна сорта ЛМ-98 обладают молекулярной массой более 1000 Да.
Концентрационные зависимости приведенной вязкости водных растворов полисахаридных (ПС) комплексов, выделенных из семян льна различных сортов, показаны на рис. 1.
Как следует из полученных результатов, вязкостные характеристики водных растворов ПС комплексов изменяются в таком же порядке, как и показатели вязкости нативных экстрактов из этих же сортов (см. табл. 2). Наименьшей вязкостью обладали водные растворы ПС комплексов, выделенные из семян льна-долгунца сорта Дипломат. Исходя из представленных данных, можно предположить, что вязкость полисахаридов семян льна-долгунца ниже, чем масличных семян.
Известно, что для растворов полимеров вязкость является функцией молекулярных масс, размеров и гибкости макромолекул, также она чувствительна к природе растворителя. С целью определения влияния природы растворителя на вязкостные характеристики полисахаридных комплексов определяли характеристическую вязкость [п] и константу Хаггинса к'. Характеристическая вязкость [п] ПС комплексов из различных сортов семян льна, определенная в воде и в 0,1 М растворе ЫаС1_ представлена на рис. 2.
Было обнаружено, что величина [п] в воде значительно выше, чем в растворах №С1_ для всех исследуемых образцов. Характеристическая вязкость в растворе ЫаС1_ снижается на 7080% по сравнению с водными растворами этих же образцов. Следует отметить, что межсортовые изменения в величине характеристической вязкости водных растворов варьируются в пределах 40%, тогда как значения этого показателя в солевом растворе для этих же образцов близки, что наглядно видно на диаграмме.
Характеристическая вязкость полимеров обычно уменьшается с увеличением ионной силы из-за ослабления внутри и межмолекулярного электростатического притяжения, которое удерживает макромолекулы в на-тивной форме. Константа Хаггинса (к') зависит от молекулярной массы и свойств системы полимер - растворитель и может служить характеристикой интенсивности взаимодействия полимера с растворителем. Чем больше значение к', тем в термодинамическом смысле «хуже» для него растворитель. При малой величине к' вероятность сцепления и образования ассоциатов в растворе снижается, растворитель в этом случае считается бо-
лее «хорошим» с термодинамической точки зрения. Результаты определения к' для полисахаридных комплексов, выделенных из исследуемых сортов семян льна представлены в табл. 3.
Как следует из полученных данных, константы Хаггинса для солевых растворов ПС комплексов выше, чем для водных, это свидетельствует о том, что солевой раствор является «плохим» растворителем для этих объектов. С ухудшением качества растворителя макромолекулярные клубки сжимаются, что приводит к уменьшению [п] и увеличению к'. В различных растворителях молекулярные клубки имеют неодинаковые размеры. Чем лучше качество раство-
Таблица 3
Определение константы Хаггинса для полисахаридных комплексов, выделенных из семян льна
Вид льна Растворитель
Н2О 0,1 М р-р NaCL
Масличный сорта ЛМ 98 0,1214 1,69
Масличный промышленный 0,124 1,63
Лен-долгунец сорта Ленок 0,136ок 0,93
Лен-долгунец сорта Дипломат 0,340 1,50
рителя (термодинамическое сродство к полимеру), тем больше набухают макромолекулы, больше их размеры, тем большее гидродинамическое сопротивление потоку они оказывают и тем выше значение [п].
Таким образом, проведенные исследования показали:
вязкостные характеристики полисахаридов исследуемых сортов семян
льна оказались выше для семян масличного льна;
вязкостные характеристики зависят от ионной силы растворителя: вязкость водных растворов полисахаридов из всех исследуемых сортов значительно выше этого показателя для солевых растворов;
константа Хаггинса возрастает с уменьшением вязкости растворов полисахаридов.
Полученные данные важны для дальнейшего использования полисахаридных комплексов семян льна в пищевых технологиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цыганова, Т. Б. Пищевая ценность семян льна и перспективные направления их переработки: монография/Т. Б. Цыганова [и др.]. - Калуга: Эйдос, 2010. - 124 с.
2. Warrand, J. Large-scale purification of water-soluble polysaccharides from flax-
seed mucilage, and isolation of a new anionic polymer/J. Warrand, P. Michaud, L. Picton, G. Muller, B. Courtois, R. Ralainirina, J. Courtois //Chromatographia. - 2003. -58 (5), 331-335.
3. Ke-Ying Qian. Structure-Function Relationship of Flaxseed Gum from Flaxseed Hulls/A Thesis Presented to The University of Guelph In partial fulfilment of requirements for the degree of Doctor of Philosophy In Food Science Guelph, Ontario, Canada. - 2014.
4. Cui, W. Physico-chemical characteristics of flaxseed gum/ W. Cui, G. Mazza. // Food Res. Internat. - 1996. -V. 29. - Р. 397-402.
5. Семчиков, Ю. Д. Высокомолекулярные соединения/Ю. Д. Семчиков. - М.: Академия, 2005. - 368 с.
6. Киреева, М. С. Функционально-технологические свойства семян льна и разработка технологии мучных кондитерских изделий специализированного назначения на их основе/М. С. Киреева // Автореф. уч. степ. канд. техн. наук. - СПб., 2014. - 25 с.
Реологические свойства растворов полисахаридов семян льна
Ключевые слова
константа Хаггинса; пищевые волокна; полисахариды; семена льна; характеристическая вязкость
Реферат
В настоящее время пищевые волокна широко используются в пищевых технологиях и питании населения. Растительным источником пищевых растворимых волокон является слизь семян льна. По реологическим свойствам полисахариды льняной слизи близки к гуаровой камеди, широко использующейся в пищевом производстве, представляют практический интерес в качестве во-доудерживающего агента, текстуратора, связующего компонента в производстве пищевых изделий. Цель работы - исследование реологических свойств растворов полисахаридов льняной слизи, выделенных из отечественных сортов льна. Работу выполняли во ВНИИ механизации льноводства (г. Тверь). Полисахариды выделяли из семян льна российской селекции: льна масличного и льна-долгунца. Определяли вязкостные характеристики экстрактов льняной слизи и разбавленных растворов полисахаридов, полученных осаждением в избытке этилового спирта. Наибольшей вязкостью обладали экстракты полисахаридов слизей семян льна масличного сорта ЛМ-98. Их вязкость более чем в 2 раза превышала аналогичные показатели экстрактов полисахаридов, выделенных из других сортов. Определяли характеристическую вязкость и константу Хаггинса для разбавленных растворов полисахаридов слизей семян льна различных сортов. Было обнаружено, что величина характеристической вязкости в воде значительно выше, чем в 0,1 М растворах NaCL для всех исследуемых образцов: в солевых растворах этот показатель снижался на 70-80%. Межсортовые изменения в величине характеристической вязкости водных растворов варьировались в пределах 40%, тогда как значения этого показателя в солевом растворе для этих же образцов были близки. Определение константы Хаггинса, которая служит характеристикой интенсивности взаимодействия полимера с растворителем, показало, что для солевых растворов полисахаридных комплексов ее значения выше, чем для водных. Увеличение константы Хаггинса свидетельствует об «ухудшении» качества растворителя (в термодинамическом смысле). Чем лучше качество растворителя (термодинамическое сродство к полимеру), тем лучше набухают макромолекулы, больше их размеры, тем сильнее гидродинамическое сопротивление потоку они оказывают и тем больше значение характеристической вязкости и меньше значение константы Хаггинса. Полученные данные по вязкостным показателям важны для дальнейшего использования полисахаридных комплексов семян льна в пищевых технологиях.
Авторы
Миневич Ирина Эдуардовна, канд. техн. наук,
Осипова Лидия Леонидовна,
Зубцов Валерий Александрович, канд. мед. наук
Всесоюзный научно-исследовательский институт
льноводства, 170041, г. Тверь, Комсомольский пр., д. 17/56,
irina_minevich@mail.ru; l.osipova@vniiml.ru; zubcov_20l5@mail.ru
Rheological properties of a solution of polysaccharides of flax seed
Key words
Huggins constant; dietary fiber; polysaccharides; flax seeds; characteristic viscosity
Abstracts
Today the food fibers are widely used in food technology and nutrition of the population. The flaxseed gums is the vegetable source of food soluble fibers. Rheological properties of flaxseed gum polysaccharides are close to guar gum widely used in food production. This is of practical interest as a water retaining agent, a texturizer, a binder component in the production of food products. Objective: to study the rheological properties of solutions of flaxseed gum polysaccharides, isolated from domestic varieties. The work was carried out at the VGIIM VNIIML, Tver. Polysaccharides were isolated from flax seeds of Russian selection: flax seeds of oilseeds and flax-dolguntsa. Viscous characteristics of extracts of linseed mucus and dilute solutions of polysaccharides obtained by precipitation in excess of ethyl alcohol were determined during the work. The highest viscosity was possessed by extracts of flaxseed gum polysaccharides of oilseeds grade LM-98. Their viscosity is more than 2 times higher than that of extracts of polysaccharides isolated from other varieties. The characteristic viscosity and the Huggins constant for dilute solutions of flaxseed gum polysaccharides of various grades were determined. It was found that the value of the intrinsic viscosity in water is much higher than in 0.1 M NaCl solutions for all the samples under study: in salt solutions, this index decreased by 70-80%. Intersort changes in the value of the intrinsic viscosity of aqueous solutions varied within 40%, while the values of this index in salt solution for the same samples were close. The determination of the Huggins constant, which is a characteristic of the intensity of interaction of the polymer with the solvent, showed that for saline solutions of polysaccharide complexes its values are higher than for aqueous solutions. The increase of the Huggins constant indicates a «deterioration» in the quality of the solvent (in the thermodynamic meaning). The better the quality of the solvent (the thermodynamic affinity for the polymer), the more macromolecules swell, the larger their dimensions, the more hydrodynamic resistance to the flow they exert and the greater the value of the intrinsic viscosity and the smaller the value of the Huggins constant. The obtained data on viscosity parameters are important for the further use of polysaccharide complexes of flax seeds in food technologies.
Authors
Minevich Irina Eluardovna, Candidate of Technical Sciences, Osipova Lidiya Leonidovna,
Zubtsov Valeriy Aleksandrovich, Candidate of Medical Sciences, All-Union research Institute of flax, Komsomolsky PR., 17/56, Tver, 170041, irina_minevich@mail.ru; l.osipova@vniiml.ru; ubcov 2015@mail.ru
