CC BY
29
УДК 544.77.032.16:664
А. Р. Ивлева, А. В. Канарский, Я. В. Казаков, Е. О. Окулова
ВЗАИМОСВЯЗЬ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова - целлюлоза, структурно-морфологические свойства, водопоглощение, жиропоглощение.
Установлено, что адсорбционные свойства целлюлозы лиственных пород по отношению к воде и жиру зависят от структурно-морфологических свойств волокон. Показано, что с увеличением длины и уменьшением ширины волокон лиственной целлюлозы увеличивается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру.
Key words - cellulose, structural and morphological properties, water holding capacity, fat binding capacity.
It was established that the adsorption properties of the pulp of hardwood with respect to water and fat depends on the structural and morphological properties of the fibers. It has been shown that increasing the length and decreasing the width of hardwood pulp fibers increases their adsorption capacity with respect to water and fat.
Актуальность. Наиболее существенным фактором, постоянно влияющим на здоровье человека, является питание. В условиях нарушения экологии, повышенных психических и физических нагрузок человек не получает необходимое количество витаминов и других жизненно важных веществ через обычное питание. Все чаще в нашей жизни появляются продукты, которые содержат биологически активные пищевые вещества [1].
Биологически активные добавки восполняют потребность человека в витаминах, минеральных веществах, микроэлементах, биологически активных волокнах и способны улучшить функциональное состояние человека. Их потребление способствует укреплению здоровья и профилактике различных заболеваний.
Ассортимент вводимых в продукты пищевых добавок, как средство обогащения пищевых продуктов, постоянно расширяется, и особое место здесь отводится пищевым волокнам [2].
Пищевые волокна - сложные углеводы, полимеры моносахаридов и их производных, содержащиеся в растительной пище и не перевариваемые ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника. По физико-химическим свойствам пищевые волокна подразделяют на растворимые и нерастворимые.
Растворимые пищевые волокна в водной среде сильно набухают, впитывая воду, и превращаются в слизистую, студнеобразную массу. К ним относят пектины, камеди, слизи, некоторые фракции гемицеллюлоз [3,4].
Нерастворимые пищевые волокна в водной среде сильно набухают, но сохраняют при этом свою форму. К ним относятся целлюлоза, лигнин, часть гемицеллюлозы. Из нерастворимых пищевых волокон в продуктах чаще всего присутствует целлюлоза или клетчатка. Целлюлоза является главной составной частью клеточных стенок растений, придает тканям растений прочность и эластичность [5].
Пищевые волокна являются на сегодняшний день одним из самых востребованных и наиболее широко применяемых пищевых ингредиентов. Причиной этого может служить их многофункциональ-
ность. С одной стороны, пищевые волокна используют как технологические добавки, изменяющие структуру и химические свойства пищевых продуктов. С другой стороны, пищевые волокна являются прекрасными функциональными ингредиентами, способные оказывать благоприятное воздействие, как на отдельные системы организма человека, так и на весь организм в целом [6].
Пищевые волокна как гидроколлоиды очень выгодны и удобны производителям, таким образом, уменьшается калорийность продукции, снижается ее себестоимость, улучшаются структурно-механические и реологические свойства готовой продукции. Несмотря на то, что их концентрации составляют обычно не более 1 %, они оказывают сильное влияние на текстурные и органолептиче-ские свойства пищевых продуктов.
Большинство гидроколлоидов обладают синергизмом по отношению друг к другу, т. е. при комплексном использовании способны усиливать индивидуально проявляемые свойства [7].
Цель работы - проанализировать взаимосвязь структурно-морфологических и адсорбционных свойств целлюлозы лиственных пород древесины.
Материалы и методы исследования
В качестве целлюлозного волокна использовали: лиственную древесную беленую целлюлозу ЛС-1 Архангельского ЦБК (образец А); лиственную древесную беленую целлюлозу Выборгского ЦБК, (образец В); лиственную беленую целлюлозу, обработанную механическим способом на оборудовании компании НегЬоШ (Германия) в промышленных условиях (образцы С и Б). Образцы А и В подвергались обработке в лабораторных условиях. Листовая целлюлоза нарезалась квадратами 5x5 мм и замачивалась в водопроводной воде при концентрации 3 % в течение 24 ч. Далее суспензию диспергировали блендером 2 - 3 мин до исчезновения узелков. Наличие узелков в целлюлозе контролировалось в разбавленном состоянии в цилиндре. Затем целлюлоза обезвоживалась через ткань (плотная, шелковая) и отжималась до влажности 25 %. После отжима цел-
люлоза диспергировалась и высушивалась на воздухе при температуре 35°С в течение 24 ч до влажности 8 %. Далее целлюлозу измельчали лабораторным диспергатором в сухом виде в течение 10 мин до ликвидации узелков. При обработке образцов C и D в промышленных условиях предварительное измельчение проводилось на машине (SMS 45/60Н5-2) при остаточной влажности 11,49 %, далее производился размол на машине (SMF 500/1000F16-12) с температурой выходящего воздуха 59 °С. После размола проводился просев через «терку» Conidur 500 мкм (образец C) и 160 мкм (образец D) при остаточной влажности 4,66 % и 3,81 % соответственно.
Микроскопическое исследование целлюлозных волокон. Микроскопический метод анализа находит широкое применение при визуальном наблюдении изменений структуры волокна в процессе размола, при качественной оценке древесной массы и т.д. [8]. Анализ волокон проводился на исследовательском моторизованном микроскопе высокого разрешения Imager M2m Carl Zeiss.
Для приготовления препарата берут чистое предметное стекло, помещают его в подставку и укрепляют пружинами. Небольшой кусочек сухой или влажной массы переносят на предметное стекло, увлажняют дистиллированной водой и тщательно раздергивают препарировальными иглами на отдельные волокна. Затем препарат покрывают чистым покровным стеклом, подводя его сбоку, чтобы избежать попадания пузырьков воздуха. Избыток жидкости, выступающей из-под стекла, удаляют фильтровальной бумагой. Приготовленный препарат просматривают на свет, обращая внимание на равномерность распределения волокон и на отсутствие пузырьков воздуха, затрудняющих рассмотрение препарата в микроскоп. Убедившись, что препарат приготовлен правильно, помещают его на предметный столик микроскопа для исследования. При анализе изображений волокон в окуляре микроскопа и на экране компьютера обращают внимание на визуальные особенности морфологической структуры волокон: форма, размеры, состояние поверхности, наличие и форма пор, состояние концов волокон, наличие фрагментов сосудов. Для фиксации морфологических особенностей делаются цветные цифровые снимки с разрешением 2594x1936 пикселей.
Анализ структурно - морфологических характеристик волокон выполняли с помощью автоматического анализатора волокна L&W Fiber Tester, который предназначен для проведения расширенного анализа свойств целлюлозных волокон и определения характеристик:
- средняя длина волокон в образце, 1ср, мм (числовая, взвешенная по длине, взвешенная по массе);
- средняя ширина волокон в образце, Ьср,
мкм;
- средний фактор формы волокон в образце f, % (частное от деления проекции длины на фактическую длину);
- доля волокон в классах длины, мм: 0,2 -0,5; 0,5 - 1,5; 1,5 - 3,0; 3,0 - 4,5; 4,5 - 7,5;
- доля мелочи (по длине) в образце m (процент волокон с длиной меньше 0,2 мм относительно числа волокон с длиной более 0,2 мм);
- средняя грубость волокон, Г, мг;
- средний угол излома u (среднее значение всех измеренных изломов);
- среднее число всех изломов на 1 волокно
Пг;
- средняя длина одного сегмента, ls, мм;
S 2
, , . . , . „ , . V, мм .
Прибор состоит из испытательного комплекса, совмещенного с ПК, который, в свою очередь управляет тестированием образца, обрабатывает данные и генерирует отчет по показаниям.
Образцы, представляющие собой 100-200 мл волокнистой суспензии, содержащей приблизительно 0,1 г волокон, помещаются в стаканы на вращающемся столике для образцов. Через ПК вводятся идентификационный номер образца и тип требуемого отчета. Суспензия автоматически с помощью пробоотборника всасывается из стакана, разбавляется до требуемой концентрации, из пробы удаляется воздух вакуум-насосом, и далее проба прокачивается через измерительную ячейку. Ячейка состоит из двух стеклянных дисков с узким зазором между ними. С одной стороны ячейки смонтирован светодиод, работающий как вспышка, с другой стороны находится камера. На дисплей выводятся номер образца, количество измеренных волокон, количество снимков, выполненных камерой и результаты измерений.
Полный цикл измерения, включая разбавление и промывку, занимает около шести минут, время измерения 100 секунд [9].
Анализ адсрорбционных свойств
Водопоглотительная способность определялась согласно методам, описанными Robertson и др. (2000) и Robertson и Eastwood (1981) с некоторой модификацией. Испытуемые образцы (1 г) помещают в дистиллированную воду на 18 ч при температуре 21 °С. Затем образцы центрифугируют в течение 20 мин при частоте 3000 об/мин, после чего показатели гидратированного остатка записывают и образцы высушивают при 105 °С в течение 24 часов до получения сухого веса. Водопоглотительная способность определяется по формуле (г воды/ г сухих веществ клетчатки):
ВСС= (m1-m2)/m2, где m-i - масса влажной клетчатки после центрифугирования, г; m2 - масса сухих веществ клетчатки, г.
Жиропоглотительная способность измерялась согласно методу, описанным Lin и др. (1974). Испытуемые образцы (1,25 г) добавляются в 10 мл масла в центрифужной пробирке объемом 30 мл. Все ее содержимое перемешивают в течение 30 секунд каждые 5 минут. Через 30 минут пробирка центрифугируется в течение 25 минут при частоте 8000 об/мин. Жиропоглотителная способность определяется по формуле (мл масла/г клетчатки):
ЖСС=(m1-m2)/m2, где m! - масса промасленной клетчатки после центрифугирования, г; m2 - масса образца клетчатки, г. [10].
Результаты и обсуждение
Микроскопическое исследование материала. На рис.1 представлены микрофотографии целлюлозы. Лиственная целлюлоза производства Архангельского (А) и Выборгского (В) ЦБК, состоит из преимущественно целых волокон либриформа - веретенообразной формы прозенхимные, одревесневшие клетки, отличающиеся заостренными концами и наличием мелких щелевидных пор, и сосудов, характерных для лиственных пород. Целлюлоза, обработанная в промышленных условиях иностранными производителями, также проявляет характерные черты лиственных волокон, и отражение результатов механической обработки. Волокна фракции 0,5 сохраняют волокнистую веретенообразную форму, но имеют оборванные концы, изломы, перекрутки и повреждения поверхности. Волокна фракции 0,16 представляют собой преимущественно фрагменты волокон с оборванными концами, каждый из фрагментов сохраняет волокнистую структуру и дефекты на поверхности. Тем не менее, в результате данных обработок не наблюдается внешнего фибриллирова-ния, то есть не происходит развития поверхности волокон.
С Б
Рис. 1 - Микрофотографии целлюлозы: А -целлюлоза ЛС Архангельского ЦБК; В - целлюлоза ЛС Выборгского ЦБК, С - промышленная целлюлоза фракции 0,5, Б - промышленная целлюлоза фракции 0,16
Данные по структурно-морфологическим и адсорбционным свойствам целлюлозных волокон представлены в Таблице 1.
Можно сделать вывод, что целлюлоза Архангельского и Выборгского ЦБК, имеет размеры, характерные для лиственных волокон - средняя длина 0,859 и 0,848 мм, и средняя ширина 20,5 и 20,6 мм. Различия геометрии и морфологии минимальны и связаны, видимо, с различиями в породном составе, соотношением береза-осина и условиями произрастания древесного сырья. Механическая обработка с использованием оборудования иностранных производителей и фракционирование приводят к существенному снижению средней длины волокна до 0,594 для фракции 0,5 и 0,434 для фракции 0,16, и некоторому повышению средней ширины волокна до (21,9 и 22,2 мкм). Одновремен-
но резко повышается доля мелочи с 0,4 - 0,5 % до 1,4 - 1,8 %.
Таблица 1 - Структурно-морфологические и адсорбционные свойства целлюлозных волокон
Характеристика Образец*
А В С Б
1ср, мм 0,859 0,848 0,594 0,434
Ьср, мкм 20,5 20,6 21,9 22,2
1, % 85,9 86,9 89,2 90,1
т, % 0,4 0,5 1,4 1,8
П1 1,134 1,093 0,793 1,034
Бу, мм2 0,644 0,631 0,505 0,416
ВСС % 23,8 23,9 18,1 14,5
ЖСС % 12,0 11,6 6,9 6,3
* обозначения на рис.1.
При снижении длины волокна в процессе механической обработки происходит не только изменение размеров, но и формы волокон. Более короткие волокна имеют меньшую искривленность (увеличивается фактор формы 1), и снижается среднее число изломов на волокно По всей видимости, за счет обрывов изогнутых сегментов волокон при обработке. Также механическое воздействие приводит к уменьшению средней площади сосудов, то есть происходит их разрушение.
Одновременно, с уменьшением длины волокон снижаются адсорбционные свойства целлюлозы. Согласно зависимостей, представленных на рис.2 можно утверждать, что структурные характеристики играют важную роль в кинетике водопо-глощения.
Рис. 2 - Зависимость адсорбционных свойств клетчатки от длины волокна
Снижение размеров волокон без развития их поверхности ухудшает адсорбционные свойства клетчатки, причем степень снижения ВСС и ЖСС соответствует степени снижения средней длины волокна. При этом зависимость для водопоглоти-тельной способности ВСС имеет линейный характер, а для жиропоглотительной способности ЖСС -нелинейный.
Выводы
Адсорбционные свойства целлюлозы лиственных пород по отношению к воде и жиру зависят от структурно-морфологических свойств волокон. С увеличением длины и уменьшением ширины волокон лиственной целлюлозы при условии отсутствия развития поверхности увеличивается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру.
Литература
1. Л.Г.Ипатова, А. Л. Кочеткова, А.П. Нечаев, В.В. Тарасова, А.А. Филатова, Пищевая промышленность, 5, 8 - 10 (2007).
2. О.Ю. Кузнецова, М.Е. Зиновьева, З.А. Канарская, Е.В. Петухова, Введение в специальность «Технология детского и функционального питания». КГТУ, Казань, 2009. 204 с.
3. А.Р. Ивлева, З.А. Канарская, Вестник Казан. технол. унив., 14, 418 - 422 (2014).
4. И.Н. Галимуллин, Н.Ю. Башкирцева, Н.А. Лебедев, Вестник Казан. технол. унив., 8, 276-279 (2014).
5. Д.А. Дулькин, Л.А. Южанинова, В.Г. Миронова, В.А. Спиридонова, ИВУЗ, 1, 105 -123 (2005).
6. J.W. Anderson, R.H. Baird, M. Knudtson, Health benefits of dietary fiber, 67, 188-205 (2009).
7. A.D. Blackwood, P.W. Dettmar, M.F. Chaplin, J. Royal Soc. Prom. health, 120, 242-247 (2000).
8. Karlsson Hakan, AB Lorentzen&Werrte, 2006. 120 p.
9. В.К. Дубовый, А.В. Гурьев, Я.В. Казаков, В.И. Комаров, Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона. Политехн. ун-т, СПб, 2006. 230 с.
9. С.В. Макурина. Дисс. канд. техн. наук, МГУ ПБ, Москва, 2007. 200 с.
10. Hui Zhang, Advance Journal of Food Science and Technology, 3, 339-347 (2011).
© А. Р. Ивлева - аспирант кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, alla1987-87@mail.ru; А. В. Канарский - д.т.н., профессор той же кафедры, alb46@mail.ru; Я. В. Казаков - к.т.н., заведующий кафедрой Технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, j.kazakov@narfu.ru; Е. О. Окулова - аспирант кафедры Технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, e.okulova@narfu.ru.
© A. R. Ivleva, Ph.D. Student, Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, alla1987-87@mail.ru; A. V. Kanarsky, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research; Y. V. Kazakov, Ph.D. (Engineering) Head of Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, j.kazakov@narfu.ru; E. О. Okulova, Ph.D. Student, Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, e.okulova@narfu.ru.
