Физико-химические принципы гелеобразования при производстве напитков

УДК 637.142.2: 541.132.644

Физико-химические принципы гелеобразования при производстве напитков

А. В. Крупин, канд. техн. наук ОАО ХК «СДС-Алко»

М. В. Баканов, канд. техн. наук; С. А. Равнюшкин, канд. техн. наук Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Современные тенденции совершенствования ассортимента напитков ориентированы на создание сбалансированной по пищевой и биологической ценности продукции, способной обеспечивать потребности различных групп населения. Сущность и необходимость развития этого направления сформулированы в постановлении Правительства РФ «О Концепции государственной политики в области здорового питания населения России».

Среди основных направлений государственной политики в области здорового питания особое внимание уделено биотехнологическим процессам переработки сельскохозяйственного сырья и созданию технологий качественно новых пищевых продуктов и напитков с направленным изменением химического состава, соответствующим потребностям организма человека. В целях улучшения структуры питания предусмотрено увеличить долю продуктов массового потребления с высокой пищевой и биологической ценностью, в том числе на 20-30 % продуктов, обогащенных белком, витаминами и минеральными веществами. В этой связи научно-практические аспекты проектирования состава продуктов и рационов с учетом требований сбалансированности по аминокислотному, жирнокислотному, витаминному и минеральному составу являются предметом интенсивных научных исследований и практических разработок.

Коллоидно-химические процессы, протекающие на границе молекул веществ и образованных ими фаз, имеют большое значение для различных отраслей промышленности и исключительно важное значение в технологии продуктов питания. Сформулированные направления наших исследований определены

Ключевые слова: абстинентный синдром; алкогольдегидрогеназа, альдегиддегидрогеназа; этанол-метаболизирующий препарат; тонизирующий напиток

не только актуальными проблемами комплексного использования сырья, стоящими перед молочной отраслью, но и необходимостью создания продуктов питания высокой пищевой и биологической ценности в соответствии с современными требованиями науки о питании [1, 2, 3].

Из используемых в настоящее время гелеобразователей наибольшее распространение получили агар, агароид, пектин, желатин, целлюлоза и ее производные, а также крахмал и его производные.

Для адекватной оценки закономерностей, происходящих при гелеобразо-вании молочной сыворотки, научный и практический интерес вызывают принципы, определяющие особенности фазовых переходов, а также обусловливающие иерархическую значимость и степень участия активных групп коллоидов при взаимодействии с компонентами сыворотки. В табл. 1 показаны возможные направления использования свойств сыворотки при формировании гелеобразной структуры. В таблицу сознательно не включены триглицериды, что связано с их гидрофобными свойствами, а также низкой концентрацией.

Некоторые характеристики геле-образователей, используемых в наших экспериментах, приведены в табл. 2. Известна высокая корреляция между размером молекул гелеобразователя, количеством реакционноспособных групп и активной концентрацией стабилизатора структуры (наименьшей

Таблица 1

Составляющий компонент Молекулярная Массовая доля масса в сыворотке, % Технологические свойства Реакционные группы

1 Фаза коллоидного раствора 1

в-Лактоглобулин 18300 0,20-0,40 рН 5,13 ^Н; ^-СН2-; -С00Н;

а-Лактоальбумин 14 150 0,06-0,17 рН 4,2-4,5 -МН2; -Н; -СНО; -С6Н5; -(СН)2-СН=МН-СН=М;

Альбумин сыворотки крови 66 267 0,04 рН 4,8 -СН3; -ОН; -СООСН3; -СН2-ОН; -О-С2Н5

Фаза истинного раствора

Вода 18 94,0 Растворитель -Н;-ОН

Молочная кислота 90 0,73 Регулятор рН -СНО; -ОН

Лактоза 342 3,5-4,0 -Н; -СНО; -ОН

Одновалентные ионы: Регулятор осмотического давления

Ма+ К+ 23 39 0,042 0,13 -Ма; -К

Двухвалентные ионы:

Са2+ Мд2+ 40 24 0,06 0,008 Образование хелатных связей -Са-; -Мд-

Таблица 2

Гелеобразователь Молекулярная масса Активная концентрация, %, не менее Реакционные группы

Пектин Агар 20000-50000 11 000-25 000 0,5 0,5 -С00Н; -СНО; -ОН;-СООСН3; ^03Н; -СНО; -Са-; -СН2ОН;

Агароид 2500-5000 2,0 -СНО

Желатин 50000-70000 1,0 -С00Н; -МН2; -СН2-ОН

Целлюлоза и ее эфиры 20000-45000 0,8 -СНз; -°-СНз; -0-С2Н5

Крахмал 6000-1 000 000 2,0 -С00Н;-СН3

концентрацией, которая способна к образованию гелей).

Те гелеобразователи, плотность зарядов молекул в которых увеличивается (главным образом не количественно, а качественно, и многообразием реакционных групп), вероятно, в большей степени будут проявлять гелеобразую-щие свойства.

Таким образом, характеристики геля определяют взаимодействия реакционных групп коллоидов с растворителем (водой, содержащейся в молочной сыворотке) путем изменения внутреннего состояния системы посредством набухания с последующим структурированием системы. В молочной сыворотке, подвергнутой гелео-бразованию, под действием внешних и внутренних факторов формируется твердая фаза с одновременным перераспределением влаги до установления состояния термодинамического равновесия. Данный факт приводит к изменению энергетического состояния системы вследствие изменения размеров частиц дисперсии, снижения величины межфазной поверхности раздела и увеличения сил адгезионного взаимодействия между отдельными участками молекул веществ, участвующих в гелеобразовании.

Основываясь на главенствующей роли реологических процессов, которые являются результатом воздействия внешних факторов, а также

учитывая специфику внутренних процессов, протекающих при гелеобразо-вании, предполагали, что структурно-механические свойства гелей тесно связаны с процессами их структуроо-бразования, параметрами межчастичного взаимодействия, дисперсностью частиц и концентрацией гелеобразо-вателя. По свойствам структуры сывороточные гели относят к системам, вязкость которых при заданных параметрах зависит от напряжения сдвига или градиента скорости. В изучаемых гелях с помощью методов физико-химической механики проводили исследования данного показателя. Значения напряжения сдвига показаны при скорости сдвига у = 9 с-1. На основании анализа полученных результатов предложен возможный механизм ге-леобразования путем оценки участия компонентов сыворотки в исследуемом процессе. Агар — классический представитель класса загустителей, стабилизаторов и желеобразующих веществ. Его получают из морских водорослей Белого моря и Тихого океана. Название этого полимера имеет малазийское происхождение и означает «желирующий продукт питания из водорослей». Основу агара составляет дисахарид агароза, молекула которой построена из р^-галактозы и 3,6-ангидро^-галактозы.

Свойства агара различаются в зависимости от его происхождения. Обычно

Таблица 3

Массовая доля сывороточных белков в расплаве геля, %

агара, % 0,6 0,7 0,8 0,9

0,0 0,4 0,60 0,57 0,70 0,66 0,80 0,76 0,90 0,89

0,8 0,52 0,60 0,71 0,82

1,2 0,52 0,58 0,68 0,80

1,6 0,52 0,58 0,67 0,80

2,0 0,52 0,58 0,67 0,80

2,4 0,52 0,58 0,67 0,80

2,8 0,52 0,58 0,67 0,80

6•2009

22

агар состоит из смеси агароз, отличающихся по степени полимеризации; в их состав могут входить разные металлы (калий, натрий, кальций, магний) и присоединяться по месту функциональных групп. Свойства агара значительно изменяются в зависимости от соотношения полимеров и вида металлов. Агар незначительно растворяется в холодной воде и набухает в ней, в горячей же воде образует коллоидный раствор, при остывании превращающийся в прочный гель, обладающий стекловидным изломом. На рисунке показано влияние агара на изменение предельного напряжения сдвига в геле из молочной сыворотки. Повышение концентрации агара в сыворотке приводит к увеличению прочности геля. Об этом можно судить по значениям предельного напряжения сдвига, которые фактически имеют линейную зависимость после увеличения концентрации агара более 1,2 %. Сывороточные белки являются дополнительным структурообразующим агентом.

Проведенными исследованиями установлено наличие нетиксотропных свойств у сывороточно-агаровых гелей, которые обусловлены связыванием диполей воды реакционноспособны-ми группами агара с образованием сплошной структуры, в узлах которой, вероятно, расположены поверхностно-активные элементы рассматриваемой дисперсной системы.

Массовую долю агара 0,8-1,2 % можно признать фактором качественного изменения свойств геля, поскольку до обозначенных концентраций увеличение прочности геля в большей степени связано с присутствием сывороточных белков (табл. 3).

Уменьшение концентрации сывороточных белков связано исключительно с их сорбцией молекулами агара, что подтверждается снижением интенсивности светового потока при определении массовой доли белков фотоколориметрическим методом (общее содержание азота по методу Кьельдаля не зависит от концентрации гелеобра-зователя).

Принципиальный интерес представленных результатов связан с тем, что влага, удерживаемая макромолекулами агара, стремится перейти в состояние с наименьшей энергией путем сорбции на молекулах гелеобра-зователя, формируя при этом остаточные напряжения в системе, которые в дальнейшем определяют кинетическое поведение гелей при хранении.

Характерная черта таких систем — наличие геометрических конфигураций, которые необратимо разрушаются при механической нагрузке.

Важный фактор, оказывающий влияние на гелеобразование, — кислотность, поскольку она воздействует на состояние водно-ионного равновесия и определяет степень агрега-тивной устойчивости молекул геле-образователя, а также влияет на диссоциацию поверхностных групп его молекул, определяет знак и величину заряда. В этой связи изучено влияние физико-химических свойств (активной и титруемой кислотности) на процесс гелеобразования. Результаты исследований приведены в табл. 4.

Установлено, что активная кислотность в диапазоне рН 5,52-5,13 повышает значения предельного напряжения сдвига, что косвенно свидетельствует об упорядочении сольватных оболочек и снижении на поверхности агара суммарного отрицательного заряда, обусловленного преобладанием отрицательно заряженных реакционных групп. Изменение заряда молекулы агара на противоположный, обусловленное кислыми свойствами сыворотки, служит фактором снижения прочности геля. Это предопределяет необходимость учитывать физико-химические свойства молочной сыворотки, которая может изменять свойства гелеобразо-вателя.

В рассматриваемом случае максимальной прочностью характеризуются сывороточно-агаровые гели, полученные при 60 °Т (рН 5,13) и массовой доле агара 2,8 %. Предельное напряжение сдвига таких объектов на 15,9-68,0 % выше, чем у гелей, полученных при 45 °Т (рН 5,52) и 80 °Т (рН 4,69). Существенное отличие механизмов изменения предельного напряжения сдвига исследуемых образцов в дальнейшем, вероятно, приведет к использованию разных технологических режимов получения гелеобразных продуктов.

Независимо от особенностей технологического процесса особое участие в гелеобразовании принимает сахароза, которая при использовании находится в состоянии истинного раствора. Образование новой фазы с устойчивыми (фиксированными) показателями прочности (предельного напряжения сдвига) определяется массовой долей сухих веществ, а также возможной инверсией сахарозы. Установлена взаимосвязь прочностных характеристик сывороточно-

Таблица4

Кислотность титруемая, °Т активная, рН Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле агара, % 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

45 5,52 50 135 212 243 271 305 332

50 5,35 56 154 257 272 296 317 359

55 5,21 62 166 266 280 305 324 370

60 5,13 84 177 282 294 318 331 384

65 5,02 78 168 262 281 300 314 346

70 4,96 69 158 255 269 281 297 338

75 4,80 61 150 236 244 252 270 302

80 4,69 54 142 195 217 229 246 282

Таблица 5

Массовая доля Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле агара, %

сахарозы,% 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

0,0 10,0 50 72 135 160 212 255 243 286 271 300 305 324 332 351

20,0 86 178 284 302 315 339 376

30,0 99 206 297 319 328 350 382

40,0 119 232 376 328 359 372 400

50,0 128 247 329 350 382 386 415

60,0 140 263 346 367 391 400 436

агаровых гелей и содержания в них сахарозы (табл. 5).

Доказано, что сахароза служит причиной усиления гелеобразующих свойств агара в отношении сыворотки. Увеличение гелеобразующей способности агара связано с повышением массовой доли сухих веществ, которые способны структурировать влагу. Присутствие дегидратирующего агента (сахарозы) позволяет получить устойчивый гель даже при самых низких значениях кислотности, которые применяли в эксперименте (45 °Т; рН 5,52). Анализ динамики предельного напряжения сдвига показывает, что с увеличением концентрации гелеобразователя до 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 2,8 % и доли сахарозы 60 % темп роста прочности снижается, поскольку увеличение предельного напряжения сдвига по сравнению с гелями без сахарозы составляет 2,8; 2,0; 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,3 раза соответственно. Из полученных данных можно заключить, что бесконечное увеличение массовой доли сахарозы с целью упрочнения геля нецелесообразно, поскольку не позволяет достигнуть требуемого технического результата. Сывороточные гели с требуемыми прочностными характеристиками можно получить, используя иные технологические факторы, чем присутствие гидрофильного агента. Несмотря на это, практический интерес имеет способность сыворотки к гелеобразованию под воздействием нескольких видов сахаров, образую-

щихся, например, в результате гидролиза лактозы.

Полученные в настоящем исследовании результаты служат основой для рассмотрения с единых физико-химических позиций разнообразных по составу гелеобразных систем молочной сыворотки, которые изменяют свои свойства в результате возникновения пространственной структуры, сочетающей сильно развитую межфазную поверхность и значительную концентрацию дисперсной фазы. При этом коллоидно-капиллярные системы гелеобразователя обусловливают взаимодействие структурных элементов трехмерной системы геля с изменением физико-химических, реологических и органолептических свойств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алиева Л. Р. Разработка технологии напитков из молочной сыворотки с применением хи-тозана: Дис... канд. техн. наук. — Ставрополь, 2003.

2. Антипова Л. В., Глотова И. А., Жареное А И. Прикладная биотехнология. — Воронеж, 2000.

3. Липатов Н. Н, Сажинов Ю. Г., Титов Е. И. Комплексные подходы и результаты совершенствования методологии математического моделирования биологической адекватности белковых компонентов продуктов специального и детского питания // Научное обеспечение молочной промышленности. — М.: ВНИМИ, 2000. С. 25-31. &