Влияние модифицирующих добавок на свойства желатиновой оболочки макрокапсул

Влияние модифицирующих добавок на свойства желатиновой оболочки макрокапсул

С.Р. Деркач, Н.Г. Воронько

Технологический факультет МГТУ, кафедра химии

Аннотация. Исследовано влияние модифицирующих добавок (глицерина и агара) на реологические свойства гелей желатины, формирующих оболочку макрокапсул при капсулировании рыбных жиров и пищевых веществ на их основе. Показано, что добавки глицерина уменьшают, а добавки агара увеличивают вязкость концентрированных желатиновых растворов, коэффициент пенетрации и предельное напряжение сдвига гелей желатины. Добавки агара увеличивают скорость структурообразования комбинированного геля.

Abstract. Influence of different modifying components: glycerin and agar-agar on rheological properties of gelatin gels and their melts has been investigated. It is shown that glycerin decreases and agar-agar increases the viscosity of gelatin melts, the coefficient of penetration and yield shearing stress of gelatin gels as compared to the ones without the components. The temperature and rate of structure formation increase with the expansion of agar-agar concentration. The optimum ratio of agar-agar, glycerin and gelatin concentration is found to make more plastic gelatin base for encapsulation with gelatinization rise higher than usual.

1. Введение

Гели желатины находят широкое применение в пищевой и медико-фармацевтической промышленности. Они используются как защитные оболочки при капсулировании малых доз различных пищевых веществ, одним из которых является рыбий жир. Желатиновая оболочка макрокапсул должна обладать определенными свойствами: упругостью, пластичностью, прочностью (Панков, 1974). При этом процесс гелеобразования должен проходить быстро и при повышенных температурах. Чтобы обеспечить выполнение этих требований, используют различные модифицирующие добавки, например, глицерин и агар (Udzihacy, 1986; Сафонова, 1982).

Влияние спиртов и, в частности, глицерина на молекулярную и фазовую структуру желатины достаточно хорошо изучено. Совместимость спирта с белком тем лучше, чем выше число ОН-групп и меньше число гидрофобных групп -СН2 в спирте (Измайлова, Ребиндер, 1974). Высказано предположение (Хомутов и др., 1984) о том, что спирты в белковых системах имеют два механизма действия: стабилизирующий, за счет уменьшения в присутствии спирта диэлектрической постоянной среды, что приводит к уменьшению электростатического взаимодействия между ионогенными группами и усилению чувствительности системы водородных связей трехтяжной коллагеноподобной спирали к полярным молекулам воды; и дестабилизирующий, за счет гидрофобных взаимодействий между углеводородными участками желатины, а также за счет экранирования молекулами спирта гидрофильных групп на поверхности молекул желатины, что уменьшает количество связанной воды, стабилизирующей спиральную форму макромолекул желатины.

Присутствие агара в незначительных количествах способно существенно ускорить процесс гелеобразования и придать гелю желатины большую прочность (Богданов, Сафронова, 1993).

Целью настоящей работы является исследование влияния модифицирующих добавок: глицерина и агара на реологические свойства расплавов и гелей желатины и скорость процесса гелеобразования.

2. Объекты и методы исследования

Объектами исследования являлись желатиновые гели и их расплавы в присутствии модифицирующих добавок и без них. Использовалась пищевая желатина марки К-13 по ГОСТ 11293-89 с размером частиц не более 5 мм, массовой долей влаги - не более 16,0%, массовой долей золы - не более 2,0% в пересчете на сухое вещество. Глицерин марки «хч» по ГОСТ 6259-75; агар по ГОСТ 1628088 в виде хлопьев толщиной не более 0,5 мм, с массовой долей влаги - не более 18,0%, массовой долей золы - не более 4,5% в пересчете на сухое вещество. Концентрация желатины 28%, концентрация глицерина варьировалась в интервале от 4 до 20%, агара - от 0,1 до 0,7%.

Реологические параметры концентрированных гелей желатины (коэффициент пенетрации Кп, пенетрационное напряжение в) измеряли с помощью ручного пенетрометра ППМ-4 (Мачихин, 1990) с

Деркач С.Р., Воронько Н.Г. Влияние модифицирующих добавок ...

использованием конического индентора, имеющего угол при вершине 2а=60 С при нагрузках 0,5; 2,0; 5,0; 9,0 кг. Исследования проводились при температуре 20 С.

Пенетрационное напряжение рассчитывали по формуле: в = mgh'2, где т - заданная нагрузка, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - глубина погружения индентора, м.

Реологические параметры расплавов гелей желатины (динамическая вязкость г/, напряжение сдвига Р) измеряли с помощью ротационного вискозиметра «Полимер РПЭ-1М» при угловых скоростях вращения от 0,0818 до 20,94 с-1 (Мачихин, 1990), при температуре 60 С.

Скорость деформации у (с'1) определяли по формуле: у = (2Я„2) / (Я2 - Я2), где у - угловая скорость вращения внутреннего цилиндра, с-1; Я„ - радиус наружной измерительной поверхности, м; Я„ - радиус внутренней измерительной поверхности, м.

Напряжение сдвига Р (Па) рассчитывали по формуле: Р=г/у где г/ - динамическая вязкость расплава, Пас; у- скорость деформации расплава, с-1.

Время и температуру гелеобразования в расплавах гелей желатины определяли с помощью прибора Жукова. Процесс гелеобразования осуществлялся при температуре окружающей среды 20 С.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Модифицирующее влияние глицерина

Результаты исследования реологических свойств гелей желатины, модифицированных добавками глицерина, а также расплавов этих гелей представлены на рис.1-3 и в табл.1.

Характер влияния глицерина зависит от структуры системы и от концентрации глицерина. В расплавах гелей при температуре 60 С при малых скоростях деформации (неразрушенная структура) (рис.1) добавки глицерина концентрацией до 15% действуют как пластификатор, что выражается в снижении напряжения сдвига и динамической вязкости расплавов гелей (кривые 1, 2). При больших скоростях деформации, когда структура системы полностью разрушается, и в расплавах устанавливается стационарное течение (постоянное значение вязкости), добавки глицерина данных концентраций,

напротив, увеличивают динамическую вязкость расплавов гелей (кривая 3). При увеличении концентрации глицерина до 20% реологические параметры расплавов увеличиваются во всем диапазоне скоростей деформации, то есть глицерин действует как антипластификатор.

Особый интерес представляют области малых скоростей деформации и напряжений сдвига, так как в этих условиях осуществляется процесс капсулирования из желатиновой массы. Как видно из рис.1, оптимальная концентрация глицерина, при которой обнаружен наибольший пластифицирующий эффект (напряжение сдвига и динамическая вязкость принимают наименьшие значения) с минимальным расходом пластификатора, составляет 9%.

Аналогичное действие оказывает глицерин на гели желатины (рис.2, табл.1). При концентрации глицерина 9% коэффициент пенетрации имеет максимальное значение ^„=(14,2+14,4) мм, пенетрационное напряжение минимально 6=23,6 кПа при нагрузке т=0,5 кг.

Влияние глицерина основывается на взаимодействии ОН-групп и гидрофобных групп -СН2 спирта с макромолекулами желатины (Измайлова, Ребиндер, 1974).

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Са> %

Рис.1. Зависимость напряжения сдвига Р (1) и динамической вязкости г/ (2,3) расплавов гелей желатины (Сж=28%) с добавками глицерина от концентрации глицерина С^ . Зависимость напряжения сдвига Р (4) и динамической вязкости ц (5) расплавов гелей желатины (Сж=28%) с добавкой глицерина ((^,=9%) и агара от концентрации агара Са при х =0,9451 с-1(1,2,4,5) и у =60,49 с-1 (3), /=60°С.

О

0.1

10

0.2 0.3

15_ 0.4

20 0.5

С

/о

Рис.2. Зависимость пенетрационного напряжения в гелей желатины (Сж=28%) с добавками глицерина от концентрации глицерина С^ (1) и гелей желатины (Сж=28%) с добавкой глицерина (Сгл=9%) и агара от концентрации агара Са (2) при т=0,5 кг, /=20 С.

Рис.3. Зависимость температуры 4 (1) и времени гелеобразования тг (2) в расплаве геля желатины (Сж=28%) с добавками глицерина от концентрации глицерина Сгл ; зависимость температуры 4 (3) и времени гелеобразования тг (4) в расплаве гелей желатины (Сж=28%) с добавкой глицерина (Сгл=9%) и агара от концентрации агара Са.

На рис.3 представлены результаты исследования влияния глицерина на время и температуру гелеобразования (кривые 1, 2). Добавки глицерина увеличивают скорость и температуру гелеобразования, при этом гель образуется при температуре выше температуры полного конформационного перехода, который составляет 35 С для всех концентраций желатины (Pierre, 1983).

3.2. Модифицирующее влияние агара

Для исследования влияния агара были выбраны гели желатины и их расплавы с добавками глицерина концентрацией 9%. Результаты исследования приведены на рис.1-3 и в табл.1. В области малых скоростей деформации агар оказывает антипластифицирующее действие на расплавы гелей желатины, что выражается в увеличении напряжения сдвига и динамической вязкости при увеличении концентрации агара (кривые 4, 5). Аналогичные процессы наблюдаются и при больших скоростях деформации в условиях стационарного течения.

Таблица 1. Коэффициент пенетрации Кп (мм-10"1) гелей желатины (Сж=28%) _при различных нагрузках и концентрациях глицерина и агара_

Концентрация глицерина, % Концентрация агара, % Нагрузка, кг

0,5 2,0 5,0 9,0

0 0 125 125 126 122

4 0 137 138 136 136

9 0 144 143 143 142

15 0 142 143 141 142

20 0 138 134 132 133

9 0,1 139 140 139 141

9 0,2 136 136 135 135

9 0,3 132 131 131 132

9 0,4 129 129 128 128

9 0,5 127 126 127 126

9 0,6 123 123 123 123

9 0,7 114 116 115 114

Деркач С.Р., Воронько H.Г. Влияние модифицирующих добавок

На гели желатины агар также оказывает антипластифицирующее действие, понижая коэффициент пенетрации (табл.1) и повышая пенетрационное напряжение (рис.2, кривая 2) в области используемых нагрузок.

Исследования влияния агара на время и температуру гелеобразования в расплаве геля показали (рис.3), что добавки агара уменьшают время и повышают температуру гелеобразования (кривые 3, 4). При этом наиболее эффективно влияние агара при его концентрации 0,2%. Однако добавка агара такой концентрации нейтрализует пластифицирующее действие глицерина. Поэтому представляется целесообразным использовать концентрацию агара 0,1%. Это позволит улучшить условия гелеобразования в расплаве геля желатины при капсулировании рыбьего жира: уменьшить время и повысить температуру гелеобразования и вместе с тем сохранить пластичность желатиновой оболочки капсул, модифицированной глицерином.

4. Заключение

В работе исследовано влияние модифицирующих добавок: глицерина и агара на реологические свойства гелей желатины, из которых формируется оболочка макрокапсулы при капсулировании рыбных жиров и пищевых веществ на их основе.

Показано, что добавки глицерина уменьшают, а добавки агара увеличивают вязкость желатиновых расплавов и прочностные характеристики (коэффициент пенетрации и предельное напряжение сдвига) гелей желатины. Температура и скорость структурообразования увеличиваются с увеличением концентрации агара. Найдены оптимальные соотношения между концентрациями желатины, глицерина и агара, позволяющие получать достаточно пластичную желатиновую основу для капсулирования с повышенной скоростью гелеобразования.

Авторы выражают благодарность коллективам ЗАО «Полиен» и ЗАО «Мед-кап» за помощь в работе и проведение экспериментального капсулирования рыбьего жира в желатиновую оболочку разработанного состава.

Литература

Pierre P. Influence of thermal treatments on the structure and stability of gelatin gels. Polymer, v.24, №5, p.537, 1983.

Udzihacy J. The using of agar in food products. New Food Industry, v.28, №4, p.20, 1986. Богданов В.Д., Сафронова T.M. Структурообразователи и рыбные композиции. М., ВНИРО, 172с., 1993.

Измайлова В.Н., Ребиндер П.А. Структурообразование в белковых системах. М., Наука, 268с., 1974. Мачихин Ю.А. (ред.). Реометрия пищевого сырья и продуктов. Справочник. М., Агропромиздат, 271с., 1990.

Панков С.М. Студнеобразное состояние полимеров. М., Химия, 255с., 1974.

Сафонова Л.В. Использование пищевых загустителей в общественном питании и пищевой

промышленности. Пищевая технология, №1, с.48, 1982. Хомутов Л.И., Лашек И.А., Шеенсон В.А. Влияние алифатических спиртов на структурообразование в растворах желатины. Коллоид. журн., т.57, №1, с.177, 1984.