CC BY
15
Состояние воды в зерновках ячменя
Т. Н. Данильчук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии В. И. Привалов
Институт общей и неорганической химии РАН (Москва)
Исследовать состояние воды в твердофазных пищевых продуктах можно методом спектроскопии протонов (ЯМР 'Н), который наиболее чувствителен как по силе индуцируемых сигналов, так и по величинам изменения ЯМР-параметров в зависимости от окружения молекул воды в образце. Спектр ЯМР 'Н органических молекул твердофазных образцов пищевых продуктов представляет собой широкую линию с шириной на полувысоте Ду1/2 = 20000-50000 Гц из-за уширяющих эффектов диполь-дипольного взаимодействия 'Н-'Н неподвижных (в шкале времени ЯМР) протонов ('Н) органической матрицы продукта и анизотропии магнитного экранирования [1]. В случае наличия молекул воды в структуре твердофазных продуктов на фоне широкой линии в центре расположена узкая линия с Ду/ = 500-3000 Гц. Узкие линии подвижных протонов продукта обусловлены усредненным диполь-дипольным взаимодействием 'Н-'Н молекул воды за счет быстрых ориентационных движений молекул воды и трансляционными прыжками молекул воды в неподвижной биоорганической матрице. Помимо движений молекул воды как целого накладывается протонный обмен между Н2О молекулами и концевыми ОН- и ЫН„-группами органических молекул [2]. Положение этих
линий и их параметры обусловлены различием в состоянии воды в твердофазных образцах пищевых продуктов.
Цель настоящей работы — использование спектроскопии ЯМР 'Н для идентификации различных состояний воды в зерновках ячменя, предназначенного для выращивания на солод.
В работе приведены ЯМР 'Н-спек-тральные параметры (величина химического сдвига 8, ширина линий на полувысоте Дv1/ , относительные интегральные интенсивности линий — /п) зерновок ячменя сорта «Скарлет», а также образцов крахмала и клейковины, взятых в качестве модельных систем. Спектры ЯМР записывали на спектрометре Вгикег АС-200 при рабочей частоте 200,'3 МГц по обычной одноимпульсной программе с последующим фурье-преобразованием сигнала спада свободной индукции.
Спектры ЯМР 'Н зерновок ячменя, снятые при комнатной температуре, состоят из широкой линии с шириной на полувысоте ДП/ = 6П60 Гц и из центральной узкой линии с Д\/ = = '647 Гц. Широкая линия обусловлена неподвижными протонами ('Н), соответствующими биоорганической матрице зерен ячменя, а центральная узкая линия обусловлена подвижными протонами молекул воды. Относительная интегральная интенсив-
V мас.%
Рис. 1. Зависимость интегральной интенсивности подвижных протонов от влажности образцов клейковины
ПИ
НАПИТКИ
3•2008
18
V мас.%
Рис. 2. Зависимость интегральной интенсивности подвижных протонов от влажности образцов крахмала
ность узкой центральной линии дает процент (I , %) подвижных протонов в данном образце.
Поскольку основными компонентами, удерживающими влагу в зерновках, являются белки и полисахариды, то для определения характера распределения влаги в объеме зерновок были получены ЯМР 'Н-спектры модельных систем — клейковины, которая состоит в основном из белков (глиадина и глютенина), и крахмала (картофельного и кукурузного). Исследования ЯМР модельных образцов клейковины и крахмала различной влажности показали, что / прямо пропорциональна влажности образцов (W, мас.%), измеренной весовым методом (рис. ', 2). Таким образом, величину /И можно считать ЯМР-измеренной влажностью образца.
Центральная узкая линия ЯМР-спектров исследованных продуктов разлагается на гауссовые и лоренце-вые линии по итеративной процедуре. ЯМР-параметры этих линий приведены в табл. '. Для ЯМР-спектров ячменя характерно наличие двух лоренце-вых линий. Линия 1 имеет химический сдвиг 8 = 4,67 м. д. Такая величина 8 характерна для молекул воды в растворах, когда протонный обмен осуществляется между ОН-группами и протонами молекул свободной воды. Линия 2 с химическим сдвигом 8 = ',2' м. д. (т. е. с большим экранированием, чем линия 1), скорее всего, соответствует протонам связанной воды, когда протоны молекул воды и концевые группы ЫН2 и ОН биоматрицы образуют водородные связи, в рамках которых осуществляется протонный обмен. Таким образом, ЯМР 'Н-спектроскопия позволяет сделать вывод о наличии двух форм влаги в зерновках ячменя: вода, которую условно можно назвать «свободной», и вода, удерживаемая биополимерами, т.е. «связанная».
Пивоваренный ячмень содержит по массе около 60 % крахмала и 9-П % белка, и можно было предположить, что состояние воды в зерновках ячменя определяется химической природой и структурными особенностями крахмала. Тем не менее сравнение ЯМР-параметров ячменя с таковыми для модельных образцов показывает, что по форме линий и соотношению интегральных интенсивностей этих линий ЯМР-спектры зерновок ячменя близки к ЯМР-спектрам клейковины (см. табл. ').
Если учесть, что в растворах и стеклах разбавленные спиновые системы дают, как правило, лоренцевую форму линий, то можно предположить, что лоренцевые формы линий в спектрах клейковины и ячменя об-
Таблица 1
№ пика Хим. сдвиг 8, м. д. Ширина линии Дv, Гц Лор./Гаусс. Итегральная интенсивность 1„, % Число подвижных 1Н 1И, %
Образец: клейковина W = 16,0 %
1 5,69 861 Лоренцевая 30,0
2 2,38 507 » 7,7 37,7 %
Образец: крахмал картофельный № 3' W = 15,0 %
1 5,65 446 Гауссовая 13,5
2 5,37 825 » 19,2 32,7 %
Образец: ячмень пивоваренный; W = 13,9 %
1 4,67 1249 Лоренцевая 34,3
2 1,21 703 » 14,7 49 %
Таблица 2
№ пика Хим. сдвиг 8, м. д. Ширина линии Дv, Гц Лор./Гаусс. 1Л, % Число подвижных 1Н 1И, %
Образец: солод Скарлет; W = 5 %
1 2 5,60 2,30 1946 602 Лоренцевая » 60 40 13,2 %
Образец: ячмень Скарлет; W = 13,5 %
1 2 4,70 1,20 1249 703 Лоренцевая » 70 30 51 %
условлены протонами молекул воды и ОН-, NH2-групп, беспорядочно расположенных в структуре материала. Таким образом, белковые вещества, обладающие гораздо более высокой способностью к поглощению влаги, чем полисахариды, оказывают определяющее воздействие на количество и состояние удерживаемой зерновками влаги.
Известно [3], что влажность в пределах 10-15 % (по массе) коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым можно отнести зерно и большинство продуктов питания, соответствует гигроскопическому состоянию. Для такого состояния характерно наличие химически и физико-химически связанной влаги. В основном это адсорбционная влага, которая находится в моно- или полимолекулярных слоях на внешних и внутренних поверхностях дисперсного материала. Слой воды толщиной в одну молекулу ад-сорбционно связан с заметной энергией молекулярной связи («связанная» вода по данным ЯМР 'Н-спектроско-пии). Энергия связи последующих слоев резко убывает с увеличением количества слоев, т. е. с увеличением расстояния от них до адсорбирующей поверхности. Влага полимолекулярной адсорбции при увеличении влажности на несколько процентов достаточно легко переходит во влагу микрокапилляров, энергия связи которой невелика (физико-механическая связь). Молекулы воды в полимолекулярных слоях и микрокапиллярах достаточно подвижны и вполне возможен протонный обмен между ОН-группами и протонами молекул воды в пределах ближнего порядка жидкости. Такую воду по данным ЯМР 'Н-спектроско-пии можно условно считать «свободной».
Таким образом, из данных ЯМР 'Н-спектроскопии можно заключить, что в зерновках ячменя, предназначенного для выращивания на солод, присутствуют две формы влаги:
влага мономолекулярной адсорбции, достаточно прочно удерживаемая белковыми веществами зерновки и дающая пик с небольшим химическим сдвигом;
влага полимолекулярной адсорбции, которая дает пик с химическим сдвигом в пределах 4-5 м. д., характерным для молекул воды в растворах.
Вода находится в матрице биополимеров зерновки, и ее состояние определяется изменениями структуры веществ белковой природы.
Результаты исследований ЯМР 'Н-спектроскопии пивоваренного ячменя согласуются с исследованиями ЯМР 'Н-спектроскопии солода [4]. При раз-
ложении центральной узкой линии ЯМР-спектров различных сортов солода по итеративной процедуре получаются две лоренцевые линии, которые соответствуют двум вышеуказанным группам подвижных протонов. Воду, способную к более легкому удалению, предложено определять как «слабо связанную», а воду, более прочно адсорбированную поверхностью вещества, — как «прочно связанную». Прочно связанную воду идентифицируют как связанную за счет групп C-NH2, С-ОН биоорганических молекул, образующих водородные связи с молекулами воды. Слабо связанную воду идентифицируют как адсорбци-онно-координированную воду второго и последующих адсорбционных слоев капилляров солода.
В отличие от солода ячмень — это живой биологический объект, который находится в состоянии покоя. В состоянии покоя зародыш зерновки дышит, частично расходуя запасные вещества эндосперма. В результате процесса дыхания выделяются углекислый газ и влага. При хорошей аэрации эта влага удаляется через систему макро-и микрокапилляров, образованных структурными составляющими зерновки. Влага макрокапилляров считается свободной в том смысле, что она может транспортироваться в объеме зерновки как в жидком, так и в парообразном состоянии [3]. ЯМР-параме-тры линии с меньшим экранированием (8 = 4-5 м. д.) солода резко отличаются от таковых для ячменя: наблюдается уширение линии и уменьшение относительного содержания этой формы влаги (табл. 2). Уширение линии
в ЯМР-спектре связано с уменьшением подвижности протонов и спин-спиновой релаксации. Общее число подвижных протонов в ячмене почти в 4 раза выше, чем в солоде, в то время как влажность, определенная весовым методом, отличается только в 2-2,5 раза. Возможно, количество слоев полимолекулярной адсорбции воды на поверхности капилляров солода значительно меньше таковых в ячмене, что существенно сказывается на различии ЯМР-параметров сильно и слабо связанной влаги.
Таким образом, из данных ЯМР-спектроскопии можно заключить, что при общности биохимического состава ячменя и выращенного из него солода состояние воды в живом биологическом объекте, каковым является зерновка ячменя, имеет свои особенности, которые могут объяснить поведение таких систем при использовании различных методов интенсификации технологических процессов (в частности, при проращивании ячменя на солод).
ЛИТЕРАТУРА
1. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. — М.: Мир, 1981.
2. Букин В. А., Сарвазян А. П., Харакоз Д. П. Вода в дисперсных системах. — М.: Химия, 1989.
3. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1973.
4. Сидоренко А. Ю., Гернет М. В., Воскобойни-ков С. В., Привалов В. И. Гигроскопичность пивоваренного солода по данным протонного магнитного резонанса// Пиво и напитки. 2008. № 3. &
