Введение
Полисахариды растительного происхождения довольно широко используются в технологии производства широкого ассортимента пищевых продуктов. Они улучшают функционально-технологические характеристики готовых изделий, кроме того, в некоторых случаях обладают ярко выраженными лечебно-профилактическими свойствами.
Одной из актуальных тенденций современной пищевой индустрии является разработка продуктов эмульсионного типа. На реологические свойства эмульсионных продуктов значительное влияние оказывают поверхностно-активные вещества (ПАВ), стабилизирующие структуру эмульсий.
Особую группу стабилизаторов составляют высокомолекулярные ПАВ, обладающие способностью к структурообразованию в межфазных слоях и в объеме фаз. В качестве загустителей и студнеобразователей в пищевых эмульсиях широко используют природные высокомолекулярные полисахариды-гидроколлоиды. Одним из широко используемых гидроколлоидов является альгинат натрия, получаемый путем щелочной экстракции бурых водорослей.
Альгинат натрия высоко гидрофилен, биосовместим и относительно экономичен, обеспечивает высокую вязкость структуры при небольших концентрациях, имеет невыраженный нейтральный вкус, значения рН его растворов близки к нейтральным. Гели, образованные альгинатом натрия, термонеобратимы и обладают относительной кислотоустойчивостью. Кроме того, альгинат натрия обладает широким спектром лечебно-профилактических свойств, что обусловливает его широкое применение в медицине, биотехнологии и различных отраслях пищевой промышленности.
Цель исследования
Целью исследования явилось установление взаимосвязи параметров предварительной подготовки альгината натрия и реологических характеристик полученного геля.
В задачи исследования входило: определить динамическую вязкость альгинатных гелей при различных концентрациях в растворе и режимах обводнения.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являлись альгинат натрия производства Архангельского опытного водорослевого комбината (ТУ 15-02-544-83) и водные гели, приготовленные на его основе.
Реологические свойства гелей измеряли на вискозиметре ротационном Visco Basic
Plus R без контура термостатирования при комнатной температуре 20–25 оС.
Результаты и их обсуждение
Альгинат натрия по классификационному признаку, принятому в физколлоидной химии, относится к сухим бесструктурным гелям. Поэтому на первом этапе разработки структурированного продукта изучали влияние предварительной обработки альгината натрия на реологические показатели обводненной коллоидной системы.
Исследовано влияние температуры воды, взятой для обводнения альгината натрия, и продолжительности набухания на эффективную вязкость гелей. Для исследования готовили 1%-ные растворы альгината натрия. Температуру воды для обводнения альгината варьировали от 20 до 100 оС (после обводнения образцы охлаждали до комнатной температуры), продолжительность набухания образцов – от 5 до 40 мин.
Известно, что процесс гелеобразования полисахаридов является кинетическим и может развиваться в течение длительного времени [1]. В связи с этим были проведены исследования влияния продолжительности набухания на вязкость раствора альгината натрия. Результаты исследования приведены на рис.1.
В результате исследований установлено, что наиболее активно процесс набухания альгината натрия происходит в период с 5 до 25 мин. Максимальное значение вязкости выявлено при набухании в течение 25 мин. Затем во всем исследованном диапазоне времени набухания реологические характеристики геля практически не изменяются.
Задачей дальнейших исследований являлось установление рациональных температурных режимов получения раствора структурообразователя. Для этого было изучено влияние температуры нагрева воды, используемой для набухания альгината, на реологические свойства получаемых гелей. Результаты исследования приведены на рис.2.
Проведенные исследования показали, что вязкость альгинатных растворов практически не изменяется в интервале температур воды от 20 до 80 оС и составляет 9,5-9,6 Па*с. Использование воды, доведенной до температуры кипения (100 оС), приводит к резкому снижению вязкости раствора до 3,4 Па*с.
В работе Ковалевой Е. А. с соавторами также представлены данные о том, что консервирование альгинатного геля при температурах 75–95 оС не изменяет его вязкостные характеристики и содержание альгиновой кислоты в нем. При этом температурный режим консервирования геля выше 100 оС сопровождается уменьшением содержания альгиновой кислоты в 2,2 раза. В результате высокого теплового воздействия происходит деструкция альгинатной молекулы и ослабевание вандерваальсовых сил сцепления в дисперсионной среде, что ведет к полной потере агрегативной устойчивости геля, соединению коллоидных частиц в крупные агрегаты, образованию плотного осадка – коагулята [2].
Следует отметить, что отсутствие стадии нагрева для получения альгинатного геля с требуемой вязкостью выгодно отличает альгинат натрия от других гидроколлоидов. Так, например, гелеобразование агар-агара и каррагенана требует повышение температуры нагрева их растворов до 60–80 оС [3,4].
Следующим этапом исследований являлось изучение влияния концентраций альгината натрия на реологические и органолептические свойства гелей.
На рис.3. представлены результаты изучения влияния концентрации альгината натрия в водном растворе на вязкость геля.
Установлено, что интенсивность процесса структурирования альгинатных гелей находится в прямой зависимости от концентрации полисахарида в растворе и описывается линейным уравнением с высоким значением коэффициента аппроксимации.
Характер межмолекулярных взаимодействий в системе «альгинат натрия – вода различной концентрации» связан с протеканием различных процессов, сопровождающих растворение. В растворе альгинат натрия может существовать в виде агрегатов разных размеров, обладающих различной степенью полимеризации и проницаемости для воды. Эти факторы оказывают значительное влияние на конфигурацию и прочность сформированной пространственной сетки полисахарида в воде, и, следовательно, на вязкость полученной коллоидной системы.
Некоторые авторы указывают, что процесс гелеобразования в значительной степени обусловлен размерами альгинатных частиц. Так, например, И. А. Оберюхтиной с соавторами методом лазерной корреляционной спектроскопии установлено, что в низкоконцентрированном альгинатном растворе обнаружено три группы частиц с размерами гидродинамических радиусов, укладывающихся в интервалы: R1=2-4 нм; R2=20-60 нм; R3=130-370 нм. Авторы предполагают, что первая группа частиц (R1), вероятно, включает в себя отдельные молекулы альгината натрия. С ростом концентрации альгината в растворе количество одиночных молекул резко уменьшается до полного исчезновения при концентрации 9*10-5 г/дл. При этом количество частиц второй и третьей группы увеличивается, что, по мнению авторов, указывает на то, что данные частицы являются ассоциатами частиц первой группы. При увеличении концентрации альгината выше 10-5 в растворе присутствуют частицы с гидродинамическими радиусами групп R2 и R3, что обусловливает высокую вязкость раствором [5].
Яковлевой Т. П. с соавторами исследована зависимость вязкости эмульсий от степени полимеризации альгината натрия. Установлено, что наибольшей вязкостью обладают альгинаты, имеющие среднюю (Alg500) и высокую (Alg700) степень полимеризации. Вязкость гелей с Alg300 на 25–30 % ниже, чем с Alg700. При этом альгинаты с высокой степенью полимеризации производят прочные, ломкие гели, устойчивые к нагреванию. В то время как альгинаты с низкой степенью полимеризации обеспечивают получение непрочных гелей, которые имеют меньшую устойчивость к нагреванию и обладают высокой тенденцией к водоотдаче [6].
Органолептическая оценка показателя консистенции полученных гелей представлена в табл. 1
Таблица 1. Органолептическая оценка консистенции альгинатных гелей
|
Концентрация альгината натрия в растворе, % |
Органолептическая оценка |
|
1 |
Консистенция однородная, жидкая, очень мало желированная |
|
2,5 |
Консистенция однородная, маловязкая, хорошо текучая, мало желированная |
|
5 |
Консистенция однородная, вязкая, текучая, хорошо желированная |
|
7,5 |
Консистенция однородная, очень вязкая, густая, малотекучая, сильно желированная |
|
10 |
Консистенция однородная, очень вязкая, очень густая, плотная, практически нетекучая, очень сильно желированная |
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
· Для получения гелей со сформированной структурой оптимальная продолжительность набухания альгината натрия составляет 25 мин.
· Для обводнения альгината натрия рекомендуется использовать воду с температурой 18–20 оС. Повышение температуры воды до 95 оС не оказывает влияния на вязкость образующегося геля, но приводит к увеличению энергоемкости технологического процесса и себестоимости продукции.
· Установленная взаимосвязь реологических и органолептических показателей гелей, обусловленная технологическими параметрами подготовки и концентрацией альгината натрия в растворе, позволяет определить необходимую для каждого конкретного технологического процесса концентрацию альгината натрия, позволяющую проектировать пищевую систему с заданными показателями динамической вязкости.
Рецензенты:
Артемова Елена Николаевна, д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии и организации питания, гостиничного хозяйства и туризма ФГБОУ ВПО Государственный университет –УНПК, г. Орел.
Шалимова Оксана Анатольевна, д.б.н., директор ИНИИЦ ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет», г. Орел.