Структурные свойства пищевых многокомпонентных гелей по данным метода растровой электронной микроскопии

Структурные свойства пищевых многокомпонентных гелей по данным метода растровой электронной микроскопии

H.Г. Воронько1, С.Р. Деркач1, А.Т. Беляевский2

1 Технологический факультет МГТУ, кафедра химии

2 ИХТРЭМС, КНЦ, Апатиты

Аннотация. Проведены структурные (методом растровой электронной микроскопии) и реологические (методом ротационной вискозиметрии) исследования пищевых гелей общего состава "желатина -альгинат натрия - вода". Отмечено образование макромолекулярных агрегатов при внесении добавки альгината натрия в гель желатины при определённом соотношении биополимеров. Установлена корреляция между структурными особенностями и реологическими параметрами гелей.

Abstract. The paper contains the results of structural (the scanning electron microscopy method) and rheological (the rotation viscomeüy method) researches of edible gels of the common structure "gelatin - sodium alginete -water". The development of macromolecular aggregation when adding sodium alginete into gelatin gel has been pointed out. The correlation between the structural peculiarities and gel rheological parameters has been found out.

I. Состояние проблемы

В современной индустрии продуктов питания одной из актуальных задач является создание композиций для получения структурированных пищевых систем общего состава "белок - полисахарид -вода" (Богданов, Сафронова, 1993; Толстогузов, 1978; Толстогузов, 1987). В частности, такой системой является оболочка капсул жирорастворимых биологически-активных добавок (БАД), представляющая собой гель на основе композиции "желатина - полисахарид - вода".

Реологические свойства любой системы в первую очередь определяются её структурой. Поэтому нам представляется, что наиболее рациональным путём разработки состава пищевой системы с заданными реологическими свойствами является проведение прямых структурных исследований такой системы.

В настоящей работе проводились структурные исследования гелей желатины с добавками полисахарида водного происхождения - альгината натрия методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в комплексе с реологическим методом ротационной вискозиметрии (Мачихин, Мачихин, 1981). Научная новизна работы заключается в использовании метода РЭМ для исследования структуры пищевых гелей. Работа является продолжением более ранних исследований по разработке рецептур желатиновой основы для капсулирования жирорастворимых БАД оптимального состава (Воронько и др., 2002; Деркач и др., 2001).

2. Объекты, методы и результаты исследований

Объектами исследования являлись гели желатины с концентрацией Сж от 1 до 5 % (вес.) с добавками альгината натрия. Использовали пищевую желатину марки К-13 (ГОСТ 11293-89) и альгинат натрия пищевой (ТУ 15-544-83). Молекулярно-массовое распределение (ММР) биополимеров определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Исследуемые биополимеры характеризуются достаточно узким ММР. Среднечисловые молекулярные массы M желатины и альгината натрия составляют, соответственно, 144200 и 387300.

Основным экспериментальным методом, применённым в работе, является метод РЭМ. Предел разрешения растрового электронного микроскопа составляет от 5 до 20 нм, что позволяет отнести метод РЭМ к группе методов макромолекулярного зондирования (101 - 104 нм) (Ross-Murthy, 1997).

На рис. 1 представлены микрофотографии геля желатины (ж) без добавок (1) и с добавкой альгината натрия (ан) (2) при соотношении биополимеров N = 1,3 • 10-3 г ан/г ж.

На фотографиях можно наблюдать резкое изменение в структуре геля при внесении альгината натрия - появление макромолекулярных агрегатов. Это можно объяснить формированием в системе полиядерных комплексов "белок - полисахарид", образованных благодаря электростатическим взаимодействиям. В комплексах ядрами являются макроионы полисахарида (альгината натрия), лигандами - макроионы белка (желатины). Белок считается лигандом на том основании, что на 1 макроион полисахарида приходится большее число меньших по размеру макроионов белка. Агрегация комплексов происходит за счёт образования из концевых частей лигандов - макроионов желатины коллагеноподобных тройных спиралей (Вайнерман и др., 1974; Толстогузов, 1978; Толстогузов, 1987; Braudo et al, 1984). Поперечный размер агрегатов L = (890±180) нм.

Воронько Н.Г. и др. Структурные свойства пищевых многокомпонентных гелей.

с

желатины

^ желатины 5% (вес.), С альгината натрия 6,5-10% (вес.) Рис. 1. Микрофотографии гелей желатины, полученные методом РЭМ. Увеличение х13300

Модель Кассона:

г0 5 = гк0 5 + (Пр у )05

1) предельное напряжение сдвига тк;

2) пластическая вязкость

Модель Гершеля-Балкли:

г = Тк + К- У п

1) предельное напряжение сдвига тк;

2) коэффициент консистенции К;

3) индекс течения п

СЗ

Сч

12

10

8

6

4

2

0 12

10

8

6

4

2

0

1

а

- О- 3

2

1_I 1111111_I_I_I 111111_I_I_I 111111 I_I 111111

1,8

1,5

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0 0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0

10"'

10-3

Са„, %

10"

о

с

Рис. 2. Реологические параметры гелей желатины (1 %) с альгинатом натрия. t = 16°С; рН 5,2-5,6; время формирования гелей т = 4 ч

Структурные изменения в гелях желатины при внесении добавки альгината натрия вызывают значительные изменения реологических свойств гелей. Реологию гелей исследовали методом ротационной вискозиметрии с использованием моделей Кассона и Гершеля-Балкли, описывающих зависимость напряжения сдвига т от скорости сдвига j (рис. 2). Эти модели традиционно применяются для описания структурно-механических свойств пищевых упруго-вязко-пластичных материалов, к которым относятся исследуемые гели (Мачихин, Мачихин, 1981).

На рис. 2 представлены зависимости ряда реологических параметров, полученных при анализе моделей, от концентрации альгината натрия Сан. Все эти параметры имеют экстремальные значения в области формирования полиядерных комплексов (N = 1,3 • 10-3 г ан / г ж), что можно объяснить увеличением упругих (коллагеноподобные тройные спирали) и вязко-пластичных (макроионы альгината натрия) соединений в пространственной сетке геля. Дальнейшее ослабление упруго-вязко-пластичных свойств гелей при увеличении концентрации альгината натрия, по-видимому, связано с формированием гелей желатины, наполненных полисахаридом (Толстогузов, 1978; Толстогузов, 1987).

3. Заключение

В результате проведённых исследований установлена область формирования в структуре геля макромолекулярных агрегатов "желатина - альгинат натрия", обеспечивающих гелю экстремальные значения упруго-вязко-пластичных характеристик. Определён средний размер агрегатов. Хорошая корреляция между структурными особенностями и реологическими параметрами указывает на возможность использования метода РЭМ для разработки пищевых композиций с заданными структурно-механическими свойствами.

Литература

Braudo E.E., Plashchina L.G., Tolstoguzov V.B. Structural characterization of thermoreversible anionic

polysaccharide gels by their elastoviscous properties. Carbohydrate Polymers, v.4, p.23-48, 1984. Ross-Murphy S.B. Structure and rheology of gelatin gels. The Imaging Science Journal, v.45, p.205-209, 1997. Богданов В.Д., Сафронова T.M. Структурообразователи и рыбные композиции. М., ВНИРО, 172 е., 1993. Вайнерман Е.С., Гринберг В.Я., Толстогузов В.Б. Взаимодействие желатины и альгината натрия в

водной среде. Высокомолекулярные соединения, т.16(А), № 2, с.252-256, 1974. Воронько Н.Г., Деркач С.Р., Измайлова В.Н. Реологические свойства гелей желатины с альгинатом

натрия. Журнал прикладной химии, т.75, вып. 5, с.808-812, 2002. Деркач С.Р., Воронько Н.Г., Петров Б.Ф. Использование хитозана в технологии капсулирования

продуктов на основе рыбных жиров. Хранение и переработка селъхозсыръя, № 8, с.52-55, 2001. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. М., Лёгкая и пищевая

промышленность, 216 е., 1981. Толстогузов В.Б. Искусственные продукты питания. Новый путь получения пищи и его перспективы. М., Наука, 232 е., 1978.

Толстогузов В.Б. Новые формы белковой пищи (Технологические проблемы и перспективы производства). М., Агропромиздат, 303 е., 1987.