Научные основы производства продуктов питания

Ри – парциальное давление насыщенного пара воды на поверхности материла;

Рн – парциальное давление насыщенного пара свободной воды

вокружающей среде.

Схимической и биохимической точки зрения чем ниже активность воды, тем в меньшей степени она может принять участие в химических и биохимических процессах.

Графически зависимость гидратации продукта от относительной влажности окружающей среды (или активности воды) выражают посредством изотермы сорбции (рис. 3).

Условно изотерму сорбции можно подразделить на участки, отражающие различие форм и энергии связи влаги. Участок А отражает мономолекулярный слой адсорбционно связанной влаги с энергией связи

вточке 1 в соответствии суравнением (1) при φ = 20,0…4,03·103 Дж/моль. При меньшем значении относительной влажности энергия связи значительно возрастает. Считается, что на участке А вода тесно связана с адсорбентом и недоступна для реакций.

Участок В отражает полимолекулярный слой адсорбционно связанной влаги, а также частично капиллярно и осмотически связанную влагу.

1

Рис. 3. Зависимость гидратации продукта отвлажностисреды:

φ – относительная влажность, %

41

Энергия связи влаги на этом «трехслойном» участке для адсорбционно связанной влаги рассчитывается по формуле (1). Для определения энергии капиллярно связанной влаги возможно по уравнению (4) рассчитать давление пара над поверхностью вогнутого мениска воды и, заменив в уравнении (1) Ри на Рr, по полученному уравнению вычислить энергию связи влаги:

L2 =	2σ	Vc,	(7)
	r

При малых величинах радиусов капилляров энергия связанной влаги может быть достаточно большой. Так, при радиусе капилляра, равном 2·10-7 см, величинаэнергии связи влаги достигает 1,3 Дж/моль. Энергия связи для осмотически удерживаемой влаги большинства продуктов животного и растительного происхождения составляет десятки джоулей, т.е. по величине энергии данная форма связи влаги уступает адсорбционно и капиллярно связанной влаге, но количество влаги, связанной данной формой связи, в продукте может быть значительным и превышать количество влаги, связанной прочими формами, что зависит от структуры тела.

Участок С отражает капиллярно, осмотически и свободно или механически удерживаемую влагу. Порядок расчета энергии связи или величины энергии связи влаги отмечены в формулах (1) и (7).

В процессе пищевой обработки качественное и количественное содержание влаги в продуктах изменяется. Форма, в которой влага перемещается в продуктах, обусловлена характером её связи.

Адсорбционно связанная влага перемещается в виде пара, и потенциалом переноса является парциальное давление пара, или, иными словами, средняя кинетическая энергия молекул пара, находящегося в единице объема продукта.

Капиллярно связанная влага может перемещаться в виде жидкости (молекулярный перенос) или пара при углублении поверхности испарения. В первом случае потенциалом переноса будет капиллярный потенциал, во втором – парциальное давление пара.

Осмотически связанная влага перемещается в виде жидкости, и потенциалом переноса служит осмотическое давление.

Для характеристики гидратационных возможностей продуктов при пищевой обработке следует знать их максимальное сорбционное влагосодержание при данных условиях (температура и пр.).

42

Если продукт содержит влагу в большем против максимального сорбционного влагосодержания количестве, он может её отдавать и быть использован в качестве донора влаги, и, наоборот, продукт, который содержит влагу в меньшем против максимального сорбционного влагосодержания количестве, может её поглощать и быть использован в качестве связующего влагу компонента.

Потенциал переноса влаги в продуктах обычно выражают в градусах, при этом максимальное сорбционное содержание влаги в продукте приравнивают к 100 град, а потенциал влагопереноса представляет собой отношение фактического содержания влаги в продукте к максимальному сорбционному содержанию.

Следует отметить, что соотношение «активность воды / количество воды» в разных продуктах различно, и это сказывается на различиях в технологических свойствах продуктов. Активность воды отражает только меру связанности воды при данной влажности.

Активность воды в продуктах часто используют в качестве критерия их микробиологической устойчивости. В соотношении с активностью воды рекомендованы нижние уровни роста: для бактерий – 0,86-0,91; дрожжей – 0,80-0,88; галофильных бактерий – 0,75 (данный вид бактерий содержит осмотически активные вещества); плесеней – 0,60.

Следует учитывать, что свободно или механически удерживаемую влагу практически невозможно ввести в продукт посредством его увлажнения в атмосфере насыщенного пара.

2.3. Набухание и студнеобразование

2.3.1. Набухание

Под набуханием понимают начальный этап растворения высокомолекулярных веществ с линейными гибкими макромолекулами, во время которого имеет место самопроизвольное проникновение молекул низкомолекулярного растворителя в структуру высокомолекулярных тел. При этом целостность тела сохраняется при значительном увеличении объёма.

Природа процесса – сложная, и в разных системах он протекает своеобразно, но во всех случаях для набухания характерны два явления (две формы связи влаги): адсорбционное связывание воды молекулами высокомолекулярного вещества, сопровождающееся тепло-

43

вым эффектом, и диффузия воды во внутреннюю структуру набухающего вещества (осмотическая форма связи влаги), сопровождающаяся изменением энтропии системы.

Оба явления имеют место с начала процесса набухания, хотя обычно адсорбционное связывание влаги макромолекулами, т.е. их гидратацию, выделяют в качестве первой стадии набухания.

Адсорбция влаги сопровождается выделением тепла и возможным понижением энтропии за счёт упорядочения молекул воды в адсорбционном слое.

Вторая стадия процесса обусловлена энтропийными причинами, значение которых резко возрастает в результате смешения макромолекул набухающего тела с молекулами растворителя.

В пищевой практике процессы набухания высокомолекулярных веществ: полисахаридов, белковых и слизистых веществ – имеют место при замесе теста, клейстеризации крахмала, замачивании круп и бобовых и других процессах.

Набухание может заканчиваться образованием раствора высокомолекулярного вещества – неограниченное набухание, присущее, например, слизистым веществам муки, или образованием студня – ограниченное набухание, характерное для клейковинных белков муки, а также желатина и агара при комнатной температуре.

Ограниченное набухание или растворение высокомолекулярного вещества объясняется рядом причин. В одном случае оно может быть обусловлено особенностью физико-химического взаимодействия воды и высокомолекулярного вещества, например, в случае белков клейковины. В других случаях ограниченность растворения высокомолекулярных веществ объясняется наличием поперечных связей разной природы между макромолекулами вещества. Причем эти связи в определённых условиях могут плавиться, например, водородные связи между макромолекулами желатина или агара при повышении температуры, и ограниченное набухание вещества перерастает в неограниченное набухание, т.е. раствор. Если при повышении температуры связи не плавятся, то ограниченный характер набухания сохраняется, например, при набухании целлюлозы в воде.

Ограниченность набухания высокомолекулярных веществ может быть объяснена и с термодинамической точки зрения: вследствие ограничения подвижности макромолекул в ходе гидратации энтропия системы понижается (рис. 4).

44

Рис. 4. Кривая кинетики набухания желатина в воде при 20 0С

Адсорбционный характер связывания влаги на первом этапе набухания подтверждается характером уравнений контракции и интегральной теплоты набухания в соответствии с формулой

	С =	ai	,	(8)
		b +i

где С – контракция (уменьшение суммарного объёма системы при набухании);

i – масса воды, поглощённой при набухании 1 г вещества; a и b – константы;

	Θ =	Аi	,	(9)
		В+i

где Θ – интегральная теплота набухания; А и В – константы.

При описании сорбции влаги телом в зависимости от относительной влажности отмечалось, что слабосвязанную влагу практически невозможно ввести в продукт посредством его увлажнения в атмосфере насыщенного пара.

В процессе набухания, вследствие повышения стерических возможностей молекул, их сегментов и ассоциатов, эффективность энтропийного связывания влаги возрастает, и соответственно увеличивается количество поглощаемой телом влаги.

Следует отметить, что характер изменения термодинамических функций при набухании различных веществ весьма сложен, как и сам процесс набухания, который может включать переориентацию мак-

45

ромолекул, частичное растворение	низкомолекулярной	фракции,
её адсорбцию на макромолекулах	высокомолекулярной	фракции
и другие изменения.

2.3.2. Студнеобразование

Наряду с набуханием студни могут быть также получены посредством изменения термодинамических параметров стабильных растворов студнеобразующих высокомолекулярных веществ: температуры, концентрации, давления. При этом изменение параметров стабильных растворов соответствующих высокомолекулярных веществ предусматривает снижение их растворимости, в результате чего они становятся метастабильными, пересыщенными, а их последующее изменение в направлении достижения стабильности включает выделение растворенного вещества в виде трехмерной пространственной каркасной фазы студня.

Например, для желатина температура 36…40 0С является «критической» температурой, выше которой его растворы, независимо от концентрации и молекулярной массы, ведут себя как молекулярнодисперсные системы, молекулы желатина присутствуют в них в конформации статистического клубка.

Охлаждение растворов до температуры несколько ниже «критической» нарушает их термодинамическую устойчивость, и системы из молекулярно-дисперсныхпереходятвметастабильное состояние (иными словами, в псевдорастворы со свойствами упруговязкой жидкости). Наличие измеримого предела упругости отличает их от жидкообразных систем, хотя вследствие незначительного по величине предела упругости при обычных условиях они форму не сохраняют, т.е. по агрегатному состоянию близки к жидкости.

Свойства псевдорастворов обусловлены частичным конформационным переходом макромолекул желатина по типу «клубок – спираль» с образованием коллагеноподобных тройных спиралей и, соответственно, ассоциатов макромолекул.

Дальнейшее охлаждение псевдорастворов желатина с концентрацией 1 % и выше приводит к нарастанию в них упругих свойств и затвердеванию всей системы в студень, обладающий четко выраженным пределом упругости. Образуется твердообразная система, сохраняющая приданную ей форму.

46

Высокая активность перехода «клубок – спираль» отмечена в достаточно узком температурном интервале – 17…20 0C, после чего интенсивность образования тройных спиралей замедляется в силу возрастания вязкости системы.

Узлы студней представляют собой коллагеноподобные тройные спирали различной протяженности. Причем для каждой полипептидной цепи характерно наличие не одного, а многих фрагментов (или сегментов), способных образовывать тройные спирали, что обуславливает возможность ее спирализации с несколькими макромолекулами. В результате в системе возникает непрерывная молекулярная сетка, связанная подобными узлами (рис. 5).

1

2

3

Рис. 5. Изменение водных систем желатина при нагревании и охлаждении:

1 – молекулярно-дисперсная система; 2 – студень с тройными молекулярными спиралями; 3 – студень с тройными молекулярными спиралями и их агрегатами

Итак, студнями называют такие системы, в которых линейные или разветвленные цепеобразные молекулы, или вторичные молекулярные структуры высокомолекулярных веществ прочно связаны между собой в относительно немногих точках химическими, водородными или иными молекулярными связями и образуют пространственную сетку, охватывающую своим объемом заключенный в ней растворитель или раствор низкомолекулярных фракций вещества.

После застудневания система не достигает стабильного состояния. Последующие изменения включают в себя дополнительное образование коллагеноподобных тройных спиралей, а также их агрегацию в надмолекулярные (или вторичные молекулярные) структуры, вследствие чего прочность студней возрастает (рис. 6).

47

Рис. 6. Изменение упругости студней желатина (3,0 %) в процессе хранения при 4 0С:

1 – студень без сахара; 2 – студень с сахаром (17,0 %)

Упорядочение структуры студней во времени может привести (сопровождаться) к синерезису, что в практике производства продукции массового питания наблюдается редко. Достижение равновесия в студнях затруднено по причине резкого снижения активности броуновского движения.

Физической основой перехода типа «клубок – спираль» является тот факт, что состояние макромолекулы в конформации клубка выгодно энтропийно, тогда как состояние макромолекулы в конформации спирали с участием водородных связей более выгодно энергетически. В студнеобразующих системах свободные энергии этих двух состояний различным образом меняются при изменении температуры, состава растворителя (например, если его молекулы способны к образованию водородных связей с макромолекулами) или рН раствора (если ионизация мономерных единиц вносит дополнительный энергетический эффект).

Температуре перехода соответствует равенство свободных энергий этих двух конформационных состояний. Кооперативный характер перехода, проявляющийся в узости его температурного интервала, обусловлен сильной зависимостью изменения свободной энергии молекулы при образовании водородной связи в одной из мономерных единиц от наличия или отсутствия водородной связи в соседних с ней мономерных единицах. Эта кооперативность для полипептидов имеет, видимо, энтропийный характер.

Общим условием студнеобразования для этого способа получения студней является ограниченная растворимость высокомолекулярного вещества или, вернее, его функциональных групп в данных условиях. Для полиэлектролитов, каковым является желатин, растворимость при

48

постоянном растворителе определяется величиной молекулярной массы и заряда его молекул.

Все факторы, изменяющие растворимость желатина, оказывают значительное влияние на свойства его студней.

С увеличением молекулярной массы растворимость макромолекул желатина благоприятно снижается, возрастает стерическая возможность возникновения межмолекулярных связей, и студнеобразующая способность вещества повышается. Возможный в технологических процессах термолиз желатина по указанным выше причинам отрицательно сказывается на его студнеобразующей способности. Удаление из желатина его низкомолекулярных фракций посредством промывания оказывает положительный эффект на студнеобразующую способность вещества.

Вблизи изоэлектрической точки, вследствие значительного снижения растворимости, агрегация макромолекул в процессе студнеобразования возрастает, особенно в отсутствие электролитов, но консистенция сформированных в этих условиях студней очень слабая. Из-за повышенной светорассеивающей способности студни – мутные. Изменение величины рН среды в обе стороны от изоэлектрической точки белка (или белкового вещества) приводит к упрочнению студней. Следует отметить, что желатин вырабатывается кислотным и щелочным способом. Обычно работают с желатином щелочной выработки, изоэлектрической точке которого соответствует значение рН среды в интервале 4,7…5,0. Изоэлектрической точке желатина кислотной выработки соответствует значение рН среды в интервале 7,5…9,0.

Неоднозначное влияние на свойства студней желатина оказывает сахароза, которая широко используется при производстве сладких желированных изделий на желатине. Сахароза понижает активность воды, поэтому при ее добавлении и одновременном возрастании в системе соотношения «желатин / вода» прочность студней увеличивается. Сахароза в концентрациях 25 % и выше оказывает на структуру студней разрыхляющий и пластифицирующий эффект. Если при концентрации сахара до 20…25 % студни желатина являются упругохрупкими системами, то при более высоких концентрациях сахарозы они становятся упруговязкопластичными системами с упругим последействием(см. рис. 1). Оптическая плотностьстуднейпри этомснижается.

Застудневание желатина является фазовым переходом. Однако расслоения системы при этом ни происходит, так как желатин выделяется из раствора в микрообъёмах, поэтому к студням применимо

49

определение как систем с незавершенным расслоением. Такой процесс возможен при условии, что в состав цепи макромолекулы вещества входят группы различной химической природы, главным образом, полярные и неполярные. Их разная парциальная растворимость приводит к тому, что часть макромолекулы вещества выделяется из раствора в микрообъёмах, а другая часть находится в растворенном состоянии.

Рентгенографические исследования указывают на наличие в студнях желатина определенных областей упорядоченного расположения макромолекул, которые относят к вторичным молекулярным структурам с определенной степенью ориентации в них макромолекул, отличной, однако, от упорядоченности, характерной для кристаллических полимеров.

Состав элементов структуры студней и их морфология зависят, в первую очередь, от скорости процесса студнеобразования. Высокая скорость процесса при резком охлаждении растворов желатина до низких температур препятствует развитию полимолекулярных элементов структуры. Наоборот, при постепенном охлаждении раствора за счет лучшей упорядоченности структуры образуются студни с большей прочностью.

Значительную роль во внутри- и межмолекулярном взаимодействии в студнях желатина играют водородные связи, которые ответственны за упругохрупкие свойства студней. Гидрофобное взаимодействие между неполярными группами макромолекул, участвующих в формировании структуры студня, обуславливают тиксотропные свойства студней, особенно при концентрациях ниже 3,0 %.

Тиксотропность студней желатина и растянутость во времени перехода «статистический клубок – тройная спираль – агрегаты тройных спиралей» позволяют использовать слабо желированные студни для украшения банкетных блюд (например, желирующий майонез). Господствующая роль конденсационных структур в студнях агара и агароида препятствует их использованию подобным образом.

Из высокомолекулярных веществ растительного происхождения, используемых в качестве студнеобразователей, можно отметить полисахариды морских водорослей (агар, агароид, фурцелларан, альгинат натрия) и полисахариды наземных растений: пектиновые вещества, крахмал и его производные, а также производные целлюлозы. Процесс студнеобразования для каждого из этих веществ имеет свою специфику.

50