CC BY
30
Влияние электрокинетических характеристик коллоидов пива
на его стойкость при хранении
А. Ю. Сидоренко, М. В. Гернет, Я. А. Лебедев
Московский государственный университет пищевых производств
Пивоваренная отрасль — одна из динамически развивающихся в отечественной пищевой промышленности. В условиях насыщения пивного рынка ведущие производители вынуждены реализовы-вать агрессивную или конкурентную стратегии своего развития. Стратегии указанного типа предполагают усилия по внедрению на рынок новых видов продукции, имеющих существенные отличия [1]. Товароведческие характеристики, обусловливающие потребительскую привлекательность продукции, основаны на его технологических, физиологических свойствах, качестве упаковки, и в первую очередь на орга-нолептических показателях. Принято выделять два основных подхода к потребительской сенсорной оценке — оценка предпочтения и оценка приемлемости [2]. При оценке приемлемости продукта проводится интегральная оценка продукта с учетом существующих вкусовых предпочтений, предубеждений, экономических факторов точность оценки вкусовых характеристик играет второстепенную роль.
Из органолептических показателей в пиве нормируются вкус, аромат, прозрачность, пенообразование, высота пены, пеностойкость. Указанные характеристики обусловлены химическим составом экстрактивных веществ и их дисперсным состоянием. Одна из главных качественных характеристик пива — его стойкость — показатель, характеризующий способность пива оставаться длительное время в гомогенном состоянии. Помутнение пива сопровождается физико-химическими превращениями, при которых растворенные сухие вещества пива, объединяясь в крупные комплексы, теряют способность к растворению и взаимодействию с рецепторами ротовой полости, что приводит к потере характерных для пива вкусовых и иных потребительских свойств. Стойкость непастеризованного пива должна быть не менее 8 сут, непастеризованного обеспложенного — не менее 30 сут [3].
Известно, что даже пастеризованное пиво со временем мутнеет, что связано с присутствием в нем коллоидно-рас-
творенных веществ. Образованию помутнения способствуют такие факторы, как повышенная температура хранения, окисление пива, наличие в нем ионов тяжелых металлов, интенсивное перемешивание и освещенность [4].
Интенсивность белково-полифеноль-ного помутнения зависит от количества источников помутнения, а также от их соотношения. Моделирование белково-фенольного комплекса позволило изучить закономерности помутнения пива [5, 6]. В качестве белковой составляющей авторы использовали белок глиадин, а в качестве фенолсо-держащего ингредиента — таниновую кислоту. При содержании таниновой кислоты более 80 мг/л максимальное помутнение имело место при соотношении белок: таниновая кислота, равное 2 : 1 и 5 : 1. Выявленный эффект позволил авторам представить механизм образования белкового помутнения на основе расчета стехиометрических соотношений белка и таниновой кислоты. Однако распределение частиц осадка по размерам, полученное в процессе исследования, указывает на наличие нескольких максимумов, что подтверждает наличие надмолекулярных структур. Размер частиц осадка изменяется в диапазоне 0,1-150 мкм, что позволяет отнести пиво к коллоидным системам. Образование частиц таких размеров возможно за счет электростатических сил. Стабильность подобных систем может быть объяснена наличием заряженной поверхности отдельных частиц.
Взаимное отталкивание одноименно заряженных частиц не позволяет им агломерироваться в более крупные образования, что обеспечивает стабильность системы в целом.
Исходя из предложенного механизма, можно предположить, что, изучив механизм образования коллоидных частиц в пиве при помутнении, можно разработать технологию производства пива длительного срока хранения без изменения его качественных показателей. Для изучения стойкости пива была разработана методика мониторинга дисперсного состояния коллоидных частиц пива и измерения электрокинетического потенциала (^-потенциала) коллоидных частиц в процессе хранения пива.
Твердые частицы, являющиеся предшественниками осадка, образуются путем взаимодействия белков и полифенолов. Амфотерные белки в слабокислой среде проявляют щелочные свойства, а полифенолы — только кислотные свойства. Можно предположить, что даже в свежем пиве существуют белково-полифенольные комплексы за счет электростатического притяжения противоположно заряженных белков и полифенолов. Эти комплексы характеризуются наличием двойного электрического слоя (ДЭС) — два очень близких друг к другу слоя электрических зарядов разного знака, но с одинаковой поверхностной плотностью, возникающие на границе раздела двух фаз. ДЭС в целом электронейтрален. Его строение оказывает большое влияние на электрические свойства межфазных границ и на протекающие при этом процессы (механизм и кинетика электрохимических реакций, устойчивость коллоидных систем и т.п.). Для исследования ДЭС использовали метод микроэлектрофореза, ^-потенциал определяли на приборе «Зеттасайзер 2» (Великобритания). Принцип работы прибора заключается в измерении частоты флуктуации рассеянного лазерного излучения. Электрокинетические исследования суспензий
Продолжительность хранения, сут Эффективный радиус и значения их ^-потенциала коллоидных частиц пива, хранившегося в таре
Стеклянная бутылка ПЭТ-бутылка Алюминиевая банка
г, нм С, мВ г, нм С, мВ г, нм С, мВ
14 486 -3,2 960 -2,9 670 -1,4
43 — -3,0 — -2,2 — -2,0
50 840 -3,1 750 -2,0 840 -2,2
113 594 -1,0 746 -2,0 870 -1,0
155 750 -1,1 1060 -2,3 710 -1,1
175 760 -1,0 1570 -2,3 2010 -0,5*
198 680 — 1670 -1,5 1960 —
* Пиво хранилось в открытой банке в течение 20 сут при 12 °С.
анализировали в рамках простейшей модели электрического двойного слоя Гуи-Чепмена-Штерна (ГЧШ). В пользу применения данной модели свидетельствует ряд публикаций [7, 8, 9]. Учитывая, что размеры частиц достаточно велики по сравнению с длиной интера-фикационных пиков, электрофорети-ческая подвижность не будет зависеть от размеров и формы частиц, а значение ^-потенциала можно определить из формулы Смолуховского
£ = —
(1)
где ц — вязкость раствора; п — электро-форетическая подвижность; е — диэлектрическая проницаемость среды; е0 — постоянная, равная 8,85-10-12 Ф/м.
Экспериментальные данные автоматически фиксировали и подвергали компьютерной обработке.
Для исследования выбрали образцы пива одной партии, но расфасованные в различную тару: стеклянную бутылку, ПЭТ-бутылку и алюминиевую банку. Пиво хранили в закрытой таре при комнатной температуре в течение 7 мес. В образцах, хранившихся в укупоренной таре, периодически проводили изучение электрокинетических характеристик. При этом замеряли величину прилагаемого к измерительной ячейке электрического напряжения, силу тока, проходящего через образец пива, и скорость перемещения твердых частиц. На основании проведенных измерений были рассчитаны электросопротивление пива, эквивалентные радиусы фиксируемых твердых частиц г (нм), и их количество, а также знак и абсолютное значение ^-потен-циала (мВ). Исследования показали, что содержащиеся в пиве частицы
осадка обладают зарядом, достаточным для использования в качестве исследовательского метода микроэлектрофореза. При исследовании каждого образца проводили несколько последовательных замеров. Для расчетов принимали результаты, соответствующие средним значениям показателей. За эффективный радиус частиц принимали размер, соответствующий максимуму распределения частиц образца по размерам. Результаты измерений и расчетов приведены в таблице.
Графики зависимости ^-потенциала и размера частиц от продолжительности хранения пива приведены на рис. 1 и 2 соответственно.
Как видно из приведенных в таблице данных, ^-потенциал во всех исследованных случаях имел отрицательное значение. При хранении пива в течение 175-200 сут значительным изменениям подвергаются как ^-потенци-ал, так и размер твердых частиц пива для всех видов тары. В течение первых 155-175 сут наименьшее колебание значений ^-потенциала наблюдается у частиц пива, хранящегося в ПЭТ-бутылке; £-потенциал коллоидных частиц пива, хранившегося в стеклянной бутылке и алюминиевой банке, снижается до 1,1-1,0 мВ уже через 100-120 сут. Электрокинетический потенциал частиц пива в начале хранения характеризовался достаточно высокими отрицательными значениями (£ < -1,5 мВ), но с течением времени во всех исследованных образцах его абсолютное значение снижалось. Однако такое снижение заряда не привело к образованию массового осадка. Исключением стал образец пива, хранящегося в открытой алюминиевой банке. В этом случае ^-потенциал снизился до значе-
ния — 0,5 мВ, что сопровождалось интенсивным помутнением пива.
У образцов пива, хранящегося в алюминиевой банке и ПЭТ-бутылке, интенсивно увеличивался размер частиц осадка после 150 сут хранения. Пиво, хранящееся в течение 200 сут в стеклянной бутылке, характеризовалось стабильными размерами твердых частиц, которые колебались в пределах 480-840 нм.
Мицеллярное строение взвешенных частиц, характеризующееся в числе других и наличием ДЭС, предполагает наличие во внешнем растворе противо-ионов, образующих внутренний и наружный слои ДЭС. В качестве возможных претендентов на роль ионов обоих слоев могут выступать заряженные частицы белков, полифенолов, катионов металлов (Кат)+т, анионов органических кислот (Ан)-П и др. Согласно правилу адсорбции Фаянса-Панета, на осадке адсорбируются ионы, образующие с ионами осадка нерастворимые и изоморфные ему соединения [10].
Поскольку ^-потенциал коллоидных частиц пива имеет отрицательное значение, можно предположить, что он образовался за счет адсорбции на поверхности белка сверх эквивалентного количества изоморфных осадку отрицательно заряженных полифенольных соединений. В роли противоионов, уравновешивающих отрицательный заряд внутренней обкладки, должны выступать носители положительного заряда. В качестве таковых противоио-нов могут быть только содержащиеся в пиве катионы металлов, образующих хорошо диссоциируемые соли. При этом часть катионов составляет плотный, а часть — диффузный слои проти-воионов внешней обкладки ДЭС. Сила,
6 • 2007
0
5
с которой к мицелле притягиваются противоионы, и их количество в составе диффузного слоя ДЭС определяют величину ^-потенциала. Поэтому можно предположить, что катионный состав пива может влиять на его стабильность. Так, присутствующие в стекле ионы щелочных металлов (в основном ионы №+), экстрагируясь пивом в процессе хранения, обеспечивают достаточное количество противоионов для вновь образующихся в процессе химических превращений коллоидных частиц белково-полифенольных комплексов. Поэтому, несмотря на снижение ^-потенциала (см. рис. 1), коллоидные частицы имеют незначительные размеры. Имеющегося заряда достаточно для электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц и обеспечения коллоидной стабильности пива при хранении в стеклянной бутылке (см. рис. 2).
Снижение абсолютного значения ^-потенциала частиц осадка пива при хранении в алюминиевой банке (см. рис. 1) можно объяснить частичным проникновением ионов А13+ в пиво при его длительном хранении. Трехвалентный ион алюминия более сильно притягивается к отрицательно заряженной мицелле белково-полифенольного комплекса, нежели одно-двух-зарядные ионы щелочных и щелочноземельных металлов, поступивших в пиво с исходным сырьем и технологической водой. При этом ионы алюминия вытесняют менее заряженные ионы из плотного и диффузного слоев внешней обкладки ДЭС. Истончение диффузного слоя приводит к снижению ^-потенциала до значений, ниже которых силы отталкивания не превышают сил притяжения между частицами осадка. При этом возникают условия для объединения частиц в крупные ком-
(ПФ)П- (Кат)" | (Кат) ©
H+,(Ан)л (Кат)+т (ПФ)"-
-Z
[Ядро [7| [б
Рис. 3. Строение ДЭС коллоидной частицы осадка пива: а — внутренняя обкладка ДЭС — частицы полифенольных соединений; б — плотный слой внешней обкладки ДЭС — катионы металлов; в — диффузный слой внешней обкладки ДЭС — катионы металлов; г — внешний раствор
плексы за счет химических, водородных и других связей специфического характера, что приводит к помутнению пива (см. рис. 2).
Снижение потенциала по мере удаления от заряженной поверхности границы раздела фаз ф может быть описано уравнением [9]:
Ф = Ф„е-
(2)
где ф0 — потенциал поверхности; н — параметр Дебая; х — расстояние от поверхности раздела фаз до точки, в которой измеряют потенциал поверхности.
Величина, обратная параметру Де-бая, представляет собой характеристическую толщину ионной атмосферы, на границе которой значение потенциала уменьшается в е раз и может считаться близким к нулю. Сам параметр Дебая можно рассматривать в качестве величины, характеризующей «сжатость» ионной атмосферы ДЭС.
Из теории Дебая—Гюккеля [10] известно:
2nz2e2
8 80 kT
(3)
где п — концентрация электролита; г — валентность противоиона; e — заряд электрона; k — константа Больцма-на; Т — температура, К.
Из уравнения (3) видно, что «сжатость» электронного облака зависит прежде всего от концентрации электролита, а уже затем от величины заряда иона. Следовательно, ионы одно-и двухвалентных металлов могут быть вытеснены из внутреннего слоя лишь трехвалентным металлом, присутствующим в растворе в достаточно высоких концентрациях. В условиях избыточной концентрации катионов металлов коллоидная система находится в стабильном состоянии, отдельные одноименно и положительно заряженные частицы коллоидной дисперсности не могут приблизиться друг к другу на расстояние, достаточное для возникновения сил притяжения.
При хранении пива в ПЭТ-бутылке источники появления новых катионов отсутствуют, однако стабильность такого пива может нарушиться за счет естественных реакций образования новых коллоидных частиц белково-по-лифенольных комплексов. Отсутствие катионов, необходимых для стабилизации вновь образованных коллоидов, приводит к снижению ^-потенциала до критических величин (см. рис. 1), росту размеров частиц осадка (см. рис. 2) и дестабилизации коллоидной системы.
Принципиальная схема коллоидной частицы пива приведена на рис. 3.
Образованная при этом мицелла может быть описана следующей формулой:
{[ЖБЕЛ)п+(Ш/т)(ПФ)т-]М(ПФ)-т }-(Мт/Ь-Х)(Кат)+ь ^ Х(Кат)+ь (4)
где [ЖБЕЛ)"+№ / т)(ПФ)т-] —
ядро мицеллы, состоящее из белково-по-лифенольных комплексов; М(ПФ)-т — внутренняя обкладка, состоящая из отрицательно заряженных ионов поликислот и полифенолов; (Мт/Ь-Х)(Кат)+ь — противоионы плотного слоя; Х(Кат)+Ь — противоионы диффузного слоя; {[N (БЕЛ)п+Шп /т)(ПФ)т-]М(ПФ)-т }-(Мт/Ь-Х)(Кат)+Ь — коллоидная частица.
Таким образом, в результате проведенных исследований определено наличие в коллоидных частицах пива Z-по-тенциала. Разработана методика измерения Z-потенциала методом микроэлектрофореза. Установлено, что коллоиды пива имеют отрицательный заряд. Предложены теоретическая модель строения коллоидной частицы пива и ее формула. Установлено, что вид тары хранения пива оказывает существенное влияние как на динамику изменения Z-потенци-ала, так и на размер коллоидных частиц пива. Получены зависимости изменения электрокинетических характеристик коллоидной системы от вида тары и продолжительности хранения пива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Филатов О. К., Козловских Л. А., Цветкова Т. Н. Планирование, финансы, управление на предприятии. — М.: Финансы и статистика, 2004.
2. Кантере В. М., Матисон В. А., Фоменко М. А. Сенсорный анализ продуктов питания. — М.: Институт управления, качества, безопасности и экологии предприятий продуктов питания (МГУПП), 2003.
3. ГОСТ Р 1174—98. Пиво. Общие технические условия.
4. Кунце В. Технология солода и пива /Пер. с нем., под ред. Д. К. Рапопорта. — СПб.: Профессия, 2003.
5. Тим О. Рурк. Коллоидная стабилизация пи-ва//Пиво и напитки. 2002. № 6. С. 43-45.
6. Karl J. Siebert and P. Y. Lynn. Effect of pro-tein-Poliphenon Ratio on the Size of Haze Particles //J. of the ASBC. 2000. V. 58. № 3. P. 117-123.
7. McLaughlin S.//Carent topics: membranes and transport. 1977. Vol. 9. P. 71.
8. Cevc G, March D. Fosfolipid Bilayirs physical Properties and Model Cell Biology: A Series of Monographs. — N. Y.: Willey-Interscience, 1987.
9. Ермаков Ю. А. Равновесие ионов вблизи липидных мембран: эмпирический анализ простейшей модели//Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 4. С. 437-449.
10. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. — Л.: Химия, 1974. <S
н =
