Исследование активности воды в водных растворах некоторых сахаров

В последние годы отмечается существенное ухудшение структуры и качества питания населения, так как большинство людей недополучает с пищей витамины, макро- и микронутриенты. Дефицит биологически активных веществ в питании человека приводит к возникновению различных заболеваний и снижению продолжительности жизни. Как известно, содержание витаминов и минеральных веществ в молочных продуктах недостаточно для обеспечения человеческого организма при обычных объемах потребления молочных продуктов. С целью повышения пищевой ценности авторами [1] разработан сгущенный молочный продукт с сахаром, обогащенный витаминами, в котором в качестве натуральных источников витаминов для обогащения предложена композиция из сиропов шиповника облепихи, боярышника и черноплодной рябины.

Для обогащения молочного продукта витаминами и минеральными веществами в работах [2-4] предлагается введение солода или солодового экстракта. Наряду с повышением пищевой ценности солодовый экстракт обладает консервирующим эффектом, так как содержание углеводов в нем составляет более 70 %. Углеводный состав солодовых экстрактов представлен следующими основными компонентами: мальтоза, глюкоза, мальтодекстрины, фруктоза, сахароза [5, 6].

Поэтому целью настоящей работы было исследование активности воды растворов этих углеводов и оценка их консервирующей способности.

Экспериментальное измерение показателя активности воды проводилось на приборе Rotronic HygroLab. Результаты проведенного эксперимента представлены на рисунке 1. Исследования таких углеводов, как глюкоза, фруктоза и сахароза в диапазоне концентраций 0–40 % проводились авторами [7]. Нами исследования проводились при температуре 20 °С в диапазоне концентраций 0–100 % (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость активности воды от массовой доли сахаров: 1 – фруктоза; 2 – глюкоза; 3 – сахароза; 4 – мальтоза; 5 – мальтодекстрин

Как следует из рисунка 1, наибольшей способностью понижать активность воды обладают моносахара, затем дисахариды и полисахариды, что согласуется с литературными данными [7].

Активность воды согласно теории Ван-Лаара [8,9]:

U ₀ ⋅ x ²

а ₁ = (1 - х ) ⋅ e ^{k ⋅ T}

,

где (1-х) - мольная доля воды;

х – мольная доля сахарозаменителя;

U0 – энергия взаимообмена (среднее увеличение энергии одной молекулы при замене ее соседних молекул другими), Дж;

k - постоянная Больцмана, Дж/К;

Т- температура, К.

Коэффициент активности воды составит:

U 0 ⋅ x ²

γ ₁ = e ^{k ⋅ T} ,

После логарифмирования из уравнения (2) было получено:

U ⋅ x ²

ln γ = ⁰

¹ k ⋅ T

.

По экспериментальным данным по активности воды (рисунок 1) был рассчитан коэффициент активности, а затем из уравнения (3) были определены значения -U0/(к Т) и представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения к ■ T для водных растворов сахаров

Наименование углевода
Фруктоза	1,95
Глюкоза	2,76
Сахароза	5,11
Мальтоза	7,86
Мальтодекстрин	78,31

Из рисунка 1 и данных таблицы 1 следует, что чем выше активность воды в растворах и чем большее значение -U0/ (к•Т) имеет вещество, тем ниже консервирующий эффект этого вещества. Следовательно, значение -U0/(к•Т) может быть использовано для оценки консервирующей способности, которая возрастает в ряду: мальтодекстрин, мальтоза, сахароза, глюкоза, фруктоза.

Затем по уравнению (2) с учетом найденных значений -U0/(к Т) был рассчитан коэффициент активности воды и его значение сравнено с экспериментальным данными. Относительная погрешность отклонений расчетных значений от экспериментальных составила в среднем 7,92 %, что свидетельствует о том, что представленные выше теоретические уравнения могут быть применены для вычисления активности и коэффициента активности воды в растворах изученных углеводов.

Для бинарного раствора для состояния равновесия связь между коэффициентами активности воды γ1 и растворенного вещества γ2 может быть установлена согласно [8, 9] в виде уравнения:

d In % = ---d In ft x или с учетом (3):

„       (1-^) 2xU^ , d In ft = - --------- dx

После интегрирования:

где С – константа интегрирования, С=0, так как при х=0 γ2=1.

Результаты расчетов γ2 по уравнению (5) для различных сахаров представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента активности сахара от его мольной доли в растворе: 1 – фруктоза; 2 – глюкоза; 3 – сахароза; 4 – мальтоза; 5 - мальтодекстрин.

Вычисление γ2 по уравнению (5) возможно лишь при концентрациях растворенного вещества более 30 % по причине сложности экспериментальных измерений γ1. Поэтому полученные зависимости (рисунок 2) могут быть экстраполированы до х=0 и по ним могут быть найдены значения γ2 для низких концентраций.

Выводы

• 1.    Получены опытные данные по активности воды в растворах некоторых сахаров и рассчитана энергия взаимообмена между молекулами, которая может характеризовать консервирующий эффект сахаров.

• 2.    Доказано, что уравнение Ван-Лаара может быть использовано для вычисления активности и коэффициента активности воды в растворах изученных сахаров. Предложено уравнение для расчета коэффициента активности сахаров.

• 3.    Экспериментально подтверждено, что консервирующий эффект снижается в ряду: фруктоза; глюкоза; сахароза; мальтоза; мальтодекстрин, что необходимо учитывать при подборе сахаров.

• 4.    Полученные результаты необходимо учитывать в технологии производства консервированных молочных продуктов, выработанных с использованием солодового экстракта.