Изменения в водной системе молока под влиянием ультразвуковой кавитации

V V

Фармацевтическим и пищевом инжиниринг

УДК 637.3.22.27

ИЗМЕНЕНИЯ В ВОДНОЙ СИСТЕМЕ МОЛОКА ПОД ВЛИЯНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ

В.В. Ботвинникова, Н.В. Попова

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Качественные показатели пищевых продуктов во многом определяются соотношением доли прочно и слабосвязанной влаги. Изменение фазового состояния воды - главный фактор, обусловливающий торможение нежелательных диффузионных, химических, биохимических и микробиологических процессов в пищевых продуктах при их переработке и консервировании. Самая прочная непосредственная связь воды с биополимерами возникает в результате реакции гидратации. Наибольшее практическое значение имеет влагосвязывающая способность основных белков, так как эта влага является преобладающим компонентом молока. На практике под понятием «гидрофильность белков» чаще понимают их способность связывать всю воду, то есть влагу моно- и полимолекулярной адсорбции. Под воздействием ультразвука наблюдается перераспределение влаги в готовом продукте. Метод термогравиметрического анализа приобретает особую значимость для исследования влияния эффектов ультразвукового воздействия на процесс гидратации белков молока. С целью изучения полной сравнительной характеристики сложного комплекса физико-химических превращений, при термической обработке водной системы молока рассмотрены результаты термогравиметрического анализа исследуемых образцов до и после ультразвукового воздействия. Авторами подтверждено, что если кавитационно активированную воду соединить с белком, то произойдет интенсивная реакция гидратации, что позволит увеличить количество связанной влаги в готовом продукте (молоке-сырье и продуктах его переработке). Таким образом, исследование состояния воды в системе молока позволяет определять его технологические свойства и тем самым научно подходить к использованию методов воздействия на водную фракцию продукта и регулированию качественных и количественных соотношений форм связи.

Ключевые слова: связанная влага, мясо птицы, ультразвуковое воздействие, термогравиметрический анализ.

В технологии пищевых производств важное значение имеет вода, которая является основным компонентом сырья и готовых пищевых продуктов, причем ее содержание может колебаться в достаточно широком диапазоне в зависимости от вида продукта и во многом определяет его свойства и сохраняемость.

Присутствие в пищевых продуктах большого количества влаги влияет на теплофизи-ческие процессы при обработке и хранении продуктов и обусловлено особенностями ее распределения и связи с другими компонентами продукта, большой ее теплоемкостью и теплотой фазового перехода при кристаллизации и испарении.

Воду в пищевых продуктах можно представить как непрерывную фазу, в которой другие составляющие распределены в виде

истинных и коллоидных растворов, а также в виде эмульсий.

Изменение фазового состояния воды — главный фактор, обусловливающий торможение нежелательных диффузионных, химических, биохимических и микробиологических процессов в пищевых продуктах при их переработке и консервировании.

Согласно классификации П.А. Ребиндера, с учетом энергии связи влаги с материалом, выделяют по порядку ее убывания три формы: вода химической, физико-химической и физико-механической связи. Формы связи воды (рис. 1) отличаются природой и величиной энергии (прочности) связи.

По количеству влаги мономолекулярной адсорбции обычно судят о гидрофильных свойствах белков (или других компонентов) пищевых продуктов. Но так как точное опре-

Формы связи

Химическая Физико-химическая Физико-механическая

Адсорбционная Осмотическая

Характер связи Ионная Гидратная Мономолекулярная Полимолекулярная Осмотическая Структурная Микрокапиляров Макрокаииляров Смачивания

РАВНОВЕСНАЯ УДАЛЯЕМАЯ

Рис. 1. Формы, характер и прочность связи воды в пищевых продуктах

деление ее затруднено, на практике под понятием «гидрофильность белков» чаще понимают их способность связывать всю воду, то есть влагу моно- и полимолекулярной адсорбции.

Состояние воды уникально обилием аномалий, отличающих ее поведение от других жидкостей. К числу таких аномалий относятся увеличение объема воды при температуре, близкой к температуре замерзания, понижение температуры замерзания с увеличением внешнего давления, максимальная плотность при температуре 3,98 °С, минимальная теплоемкость при этой же температуре и большая ее величина по сравнению с теплоемкостью других жидкостей.

Эти и многие другие специфические свойства воды можно объяснить особым расположением ее молекул, изменяющимся под влиянием различных воздействий. Воду, содержащуюся в пищевых продуктах, как правило, разделяют в зависимости от форм ее связи с белками на три группы (рис. 2).

Гидратационная вода (около 5 % от общего ее содержания), как показывают спектры ядерно-магнитного резонанса, имеет структуру «водородных мостиковых соединений». По физическим свойствам она отличается от им-

мобилизованной и свободной воды более низкой температурой замерзания, большей плотностью, меньшим давлением паров и способностью к растворению различных соединений. Гидратационная вода связана электростатически с диссоциированными группами боковых цепей (карбоксильными, гидроксильными, сульфгидрильными и аминогруппами), водородными связями с недиссоциированными полярными группами (карбоксильными и аминогруппами пептидных связей) и формирует мономолекулярный слой на их поверхности.

Иммобилизованная вода, составляющая наибольшую часть общего ее содержания, связана сорбционными и ван-дер-ваальсовыми силами в виде мультимолекулярных слоев с мышечными мембранами и филаментами. По физическим свойствам она отличается от гид-ратационной и образует «льдоподобную» структуру между белковыми молекулами. В зависимости от прочности связи воды различают адсорбционную, осмотическую и капиллярную влагу [1].

В настоящее время в мировой практике отмечено положительное влияние сонохими-ческого эффекта на биологические массы, в том числе на процесс их гидратации, однако применительно к пищевым системам иссле-

ч

\

У

ВОДА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Рис. 2. Формы связи воды в пищевых продуктах

дований в данном направлении недостаточно. В связи с чем весьма актуальным является проведение более детального исследования возможности совершенствования гидратаци-онных характеристик животных белков на основе сонохимии [5, 6, 10, 11].

Развитие и применение ультразвуковых технологий в пищевых производствах (рис. 3) пока носит ограниченный характер, открывая при этом перспективы в создании новых, модифицированных продуктов, повышении эффективности технологических операций и т. д. [3, 4].

Динамика процесса перераспределения влаги в готовом продукте доступна термогравиметрическому анализу [2]. Использование этого метода приобретает особую значимость для исследования влияния эффектов кавитации на процесс гидратации белков пищевых систем. С целью изучения полной сравнительной характеристики сложного комплекса физико-химических превращений был проведён термогравиметрический анализ контрольного и опытного образца.

Термогравиметрический анализ проводили масс-спектрометрическим анализатором летучих продуктов термического разложения жидких материалов с помощью Netzch STA 449 «Jupiter» при температурах от 20 до 400 °С, с погрешностью ±1,5 % по температуре, ±3 % по энтальпии, ±2 % по теплоемкости. Масса об-

разцов варьировала в интервале 430-440 мг.

Состояние и формы связи воды в структуре обуславливают однородность состава, устойчивость системы молока к различным воздействиям (перепады температур, механическая обработка, процессы переработки с одновременным воздействием нескольких факторов и др.), усвояемость и другие свойства молока также характеризуются, как было уже отмечено, состоянием и формами связи воды в структуре. Вода в связанном состоянии определяет степень гидратации белков и, как следствие, их ценность в пищевом отношении. Для установления форм связи воды нами проведен термогравиметрический анализ образцов восстановленного молока-сырья, выработанного с применением ультразвуковой кавитации.

Количество свободной воды в исследуемых образцах (рис. 4) показывает, что контрольный образец характеризуется большей долей свободной воды в составе (38,01 %), что в свою очередь обусловлено процессами доступности белковых частиц сухого молока к взаимодействию с кластерами воды и белковых веществ - к процессам гидратации.

Ультразвуковая кавитация посредством внутренних взрывов активизирует разделение кластеров воды на отдельные молекулы и агломератов сухого молока на отдельные частицы, что определяет повышение доступности отдельных частиц к взаимодействию с моле-

Рис. 3. Эффекты, оказываемые УЗ в жидких средах

кулами воды, способствуя их набуханию. Данный факт подтверждается данными рис. 4,

свидетельствующими о меньшем количестве свободной воды в образце молока-сырья, обработанном ультразвуком на этапе механической смеси СОМ и воды (30,9 %). Обработка воды до внесения в нее сухого молока позволяет разделить кластеры воды, однако агломераты частиц сухого молока, неразбитые на отдельные частицы, менее доступны к взаимодействию, что увеличивает содержание свободной воды в образце, полученном на основе воды, обработанной ультразвуком, до 32,1 %.

Последующий термогравиметрический анализ позволит установить доли связанной воды в структуре с косвенным свидетельство-ванием о компонентах молока-сырья, активно удерживающих воду.

Представленные ниже термограммы синхронного термического анализа восстановленного молока-сырья с масс-спектрометри-ческим анализом выделяющихся газов (Н20 и С02) адекватно описывают термодинамические процессы сложных по химическому составу фракций молока (рис. 5 и 6).

Исследования процесса уноса влаги (кривая Н2О) и изменения массы (кривая ТО) позволяют установить температурные интервалы выделения влаги и разрушения вещества, свидетельствующие о силе связи вещество-вода в системе восстановленного молока-сырья. Анализ кривой БТО дает полную картину проис-

ходящих в пробе термических превращений. Согласно анализу термограмм нами выявлены

следующие температурные интервалы (см. таблицу).

Таблица

Наименование образца Основной эндотермический пик, °С Максимум выделения Н2О, °С Дополнительные эндотермические пики, °С

Контроль 167,1 ...228,6 207,8 291,4.334,1

Образец двухэтапной ультразвуковой обработки 166,2... 227,9 210,9 295,8.331,6

Точность составляет ±0,5 °С.

БТО-анализ позволяет с высокой достоверностью утверждать о влиянии ультразвуковой кавитации на повышение влагоудержи-вающей способности компонентов восстановленного молока-сырья. Сопоставление интервалов основного пика разрушения позволяет свидетельствовать о повышении влагосвязы-вающей способности белков при совместной ультразвуковой обработке СОМ и воды, смещение пика на 172,1 °С, в тоже время он резко сконцентрирован (до 224,6 °С). В образце, подвергнутом двухэтапной УЗ-обработке, также повышается водосвязывающая способ-

1опСиггьпГЮ-1С1/А

ТС/% РЭСДтУУ/тд) ОТС/

50 100 150 200 250 300 350 400

ТетрегаШге ГС

Рис. 5. Кривые распределения термогравиметрического анализа контрольного образца молока-сырья

Рис. 6. Кривые распределения термогравиметрического анализа молока-сырья двухэтапной обработкой УЗ

ность разных фракций белка и лактозы, также отмечены отличия кривых DTG и воды в интервале температур 300...360 °С, характеризующем превращения жировой фракции. Частота и глубина эндотермических пик при указанных температурах определяет повышенную степень влагоудержания жировых веществ в молоке-сырье, полученном по этой технологии.

Такая разница начала процесса удаления свободной влаги свидетельствует о более сильной энергии ее связи, характеризующейся выраженным эндоэффектом по энтальпии (ось DSC). Для преодоления сил сцепления диполей воды, удерживаемых в этих системах, требуется больше тепловой энергии, подводимой к образцам, приготовленных на основе активированных рассолов.

Полученные данные хорошо согласуются с теорией надтепловой кавитационной дезинтеграции воды, за счет чего увеличивается энергия связи ее диполей с полярными центрами молекул аминокислот. Таким образом, увеличивается энергия связи и формируется прочная гидратная оболочка.

Учитывая, что уровень гидратации белков продукта тесно взаимосвязан с его технологическими свойствами, исследование влияния эффектов кавитации на их корректировку составляет определенный интерес для применения его как способа улучшения потребительских свойств готовых изделий [7-9].

Литература

1. Потороко, И.Ю. Возможности регулирования гидратационных свойств животных белков / И.Ю. Потороко, Л.А. Цирульниченко, И.В. Фекличева // Наука ЮУрГУ: материалы 66-й научной конференции. Секции экономики, управления и права. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. - С. 322-325. -http://lib.susu. ac.ru/ftd?base=SUSU_KONF&key =000526924&dtype =F&etype=.pdf

2. Борисенко, А.А. Термогравиметрический анализ форм связи влаги в соленой говядине / А.А. Борисенко // Мясная индустрия. -2001. - № 7. - С. 45-46.

3. Хмелев, В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических

процессов в промышленном, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н. Хмелев, Д.В. Леонов, Р. В. Барсуков, С.Н. Цыганок С.Н. - Барнаул, 2007. - 407 с.

4. Шестаков, С.Д. Восполнение утраченной мясом влаги путем управляемой гидратации его биополимеров при посоле / С.Д. Шестаков, О.Н. Красуля, А.П. Бефус // Мясной ряд. - 2008. - № 3. - с. 38-40.

5. Богуш, В.И. Разработка технологии производства мясных рубленых полуфабрикатов с применением сонохимических воздействий для системы общественного питания: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.И. Богуш. - М.: МГУТУ им. Разумовского, 2011. - 21 с.

6. Красуля, О.Н. Процессы и аппараты пищевой сонотехнологии для мясной промышленности / О.Н. Красуля, С.Д. Шестаков, В.И. Богуш и др. // Мясная индустрия. - 2009. - № 7. -С. 43-46.

7. Потороко, И.Ю. Современные подходы и методы интенсификации процессов пищевых производств / И.Ю. Потороко, Ю.И. Кретова, Л.А. Цирульниченко // Товаровед продовольственных товаров. - 2014. - Т. 1 -С. 53-58.

8. Потороко, И.Ю. К вопросу обеспечения качества и безопасности воды, используемой в пищевых производствах / И.Ю. Потороко, Р.И. Фаткуллин, И.В. Калинина // Вестник ЮУрГУ. Серия «Экономика и менеджмент». - 2013. - Т. 7, № 1. - С. 165-169.

9. Потороко, И.Ю. Совершенствование реологических характеристик мясных эмульсий на основе пищевой сонохимии / И.Ю. Потороко, Л.А. Цирульниченко //Материалы 65-й научной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию ЮУрГУ. Секция экономики, управления и права. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. - С. 306-309.

10. Ashokkumar, M. Hydrodynamic cavitation an alternative to ultrasonic food processing / M. Ashokkumar, R. Rink, S. Shestakov // Electronic Journal «Technical Acoustics». -http://www.eita.org. - 2011. - № 9.

11. Mason, R. A brief history of the application of ultrasonics in food processing / R. Mason, K. Knoerzer // 19'th 1С A Congress. - Madrid, 2007. - 68 р.

Ботвинникова Валентина Викторовна. Старший преподаватель кафедры «Товароведение и экспертиза потребительских товаров», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), valens_b@mail.ru.

Попова Наталия Викторовна. Старший преподаватель кафедры «Товароведение и экспертиза потребительских товаров», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), tef_popova@ mail.ru.

Поступила в редакцию 15 декабря 2014 г.

CHANGES IN THE WATER SYSTEM OF MILK UNDER THE INFLUENCE OF ULTRASONIC CAVITATION

V.V. Botvinnikova, N.V. Popova

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

Quality indicators of food ismostly determined by the ratio of the share of durable and loosely coupled moisture. Water change phase is the main responsible factor for the inhibition of unwanted diffusion, chemical, biochemical and microbiological processes in foods during their processing and canning. The strongest direct connection with biopolymers water arises from the hydration reaction. The greatest practical advantage is the main water binding capacity of proteins, since this is the predominant component moisture milk. The term "hydrophilic proteins" more and more aware of their ability to bind all of the water that is moisture mono- and multilayer adsorp-tion.By ultrasonication the redistribution of moisture in the final product. Thermogravimetric analysis method is of particular importance for the study of the influence of the effects of ultrasonic treatment on the hydration process of milk proteins. To study the complete characteristics of a complex set of physical and chemical transformations during heat treatment of the water system of milk reviewed the results of thermogravimetric analysis of the samples before and after sonication. The authors confirmed that if cavitation activated water combine with protein, there will be intense hydration reaction, which will increase the number of bound moisture in the finished product (milk, raw materials and by-products). Thus, the study of the state of water in the milk allows to determine its technological properties and thus a scientific approach to the use of methods to influence the aqueous fraction of the product and management of qualitative and quantitative relations forms of communication.

Keywords: bound moisture, poultry, ultrasonic treatment, thermal gravimetric analysis.

References

1. Potoroko I.Yu., Tsirul'nichenko L.A., Feklicheva I.V. [Opportunities Regulation Hydration Properties of Animal Proteins]. Nauka YuUrGU: materialy 66-y nauchnoy konferentsii. Sektsii ekonomiki, upravleniya i prava [Science SUSU. Proceedings of the 66th Scientific Conference]. Chelyabinsk, South Ural St. Univ., 2014, pp. 322-325.

2. Borisenko A.A. [Thermogravimetric Analysis of Forms of Communication Moisture in Salt Beef]. Myas-naya industriya [Meat Industry]. 2001, no. 7, pp. 45-46.

3. Khmelev V.N., Leonov D.V., Barsukov R.V., Tsyganok S.N. Ul'trazvukovye mnogofunktsional'nye i spet-sializirovannye apparaty dlya intensifikatsii tekhnologicheskikh protsessov v promyshlennom, sel'skom i domash-nem khozyaystve [Ultrasonic Multifunctional and Specialized Devices for Intensification of Technological Processes in Industry, Agriculture and Households]. Barnaul, 2007. 407 p.

4. Shestakov S.D., Krasulya O.N., Befus A.P. [Restores Lost Moisture Meat by Controlled Hydration of Biopolymers at its Salting]. Myasnoy ryad [Meat Series]. 2008, no. 3, pp. 38-40.

5. Bogush V.I. Razrabotka tekhnologii proizvodstva myasnykh rublenykh polufabrikatov s primeneniem so-nokhimicheskikh vozdeystviy dlya sistemy obshchestvennogo pitaniya [Development of Technology for the Production of Meat Chopped Semi-Finished Products Using Sonochemical Effects System Catering]. Author. dis. cand. Technical Sciences. Moscow, 2011. 21 p.

6. Krasulya O.N., Shestakov S.D., Bogush V.I., Artemova Ya.A., Kosarev A.E. at al. [Processes and Devices of Food Sonotehnologii for Meat Industry]. Myasnaya industriya [Meat Industry]. 2009, no. 7, pp. 43-46.

7. Potoroko I.Yu., Kretova Yu.I., Tsirul'nichenko L.A. [Modern Approaches and Methods to Intensify the Processes of Food Production]. Tovarovedprodovol'stvennykh tovarov [Goods Foodstuffs]. 2014, vol. 1, pp. 5358.

8. Potoroko I.Yu., Fatkullin R.I., Kalinina I.V. Quality and safety control of the water used in food production. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Economics and Management, 2013, vol. 7, no. 1, pp. 165169.

9. Potoroko I.Yu., Tsirul'nichenko L.A. [Improvement of the Rheological Characteristics of Meat Emulsions Based Food Sonochemistry]. Sbornik materialov 65-y nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh, posvyashchen-noy 70-letiyu YuUrGU. Sektsiya ekonomiki, upravleniya iprava [Proceedings of the 65th Scientific Conference of Young Scientists, dedicated to the 70th anniversary of SUSU. The Economics, Management and Law]. Chelyabinsk, South Ural St. Univ., 2013, pp. 306-309.

10. Ashokkumar M., Rink R., Shestakov S. Hydrodynamic cavitation an alternative to ultrasonic food processing. Electronic Journal «Technical Acoustics». Available at: http://www.eita.org, 2011, №9.

11. Mason R., Knoerzer K. A brief history of the application of ultrasonics in food processing. 19'th 1S A Congress. Madrid, 2007, 68 p.

Botvinnikova Valentina Viktorovna, senior lecturer, Department of Merchandising and Examination of Consumer Goods, South Ural State University, Chelyabinsk, valens_b@mail.ru.

Popova Natalia Viktorovna, senior lecturer, Department of Merchandising and Examination of Consumer Goods, South Ural State University, Chelyabinsk, tef_popova@mail.ru.

Received 15 December 2014

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

REFERENCE TO ARTICLE

Ботвинникова, В.В. Изменения в водной системе молока под влиянием ультразвуковой кавитации / В.В. Ботвинникова, Н.В. Попова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2015. - Т. 3, № 2. - С. 47-54.

Botvinnikova V.V., Popova N.V. Changes in the water system of milk under the influence of ultrasonic cavitation. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 2015, vol. 3, no. 2, pp. 47-54.