Исследование физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана
Автор: Хайдукова Е.В., Новокшанова А.Л.
Журнал: Молочнохозяйственный вестник @vestnik-molochnoe
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 1 (53), 2024 года.
Бесплатный доступ
К числу биологически активных веществ, рекомендованных для обогащения пищевой продукции, относят арабиногалактан. В работе исследованы гидрофильные свойства арабиногалактана, промышленное производство которого налажено в РФ. Ингредиент представлял собой сухой аморфный порошок бело-кремового цвета, без вкуса и запаха. Принятая температура гидратации составляла 19 °С. Исследуемый диапазон концентраций арабиногалактана соответствовал рекомендуемым уровням суточного потребления. Навески арабиногалактана в количестве от 1,5 до 10,0 г вносили в воду. Процесс растворения ингредиента оценивали визуально. В растворах исследовали плотность, вязкость, активную и титруемую кислотности. После измерения физико-химических показателей образцы пастеризовали при температуре (88±2) °С без выдержки и оставляли на хранение при температуре (4±2) °С на пять суток. С увеличением концентрации арабиногалактана в образцах процесс растворения удлинялся. При увеличении концентрации компонента с 1,5 до 10,0 % продолжительность его растворения возросла до 5 раз. Растворы арабиногалактана имели желтоватое, кремовое или коричневатое окрашивание в зависимости от количества ингредиента в системе, а также обладали клейкими свойствами, подобно сахарным сиропам. Повышение массовой доли арабиногалактана в растворах положительно коррелировало с показателями плотности и вязкости, что важно при использовании этого компонента для регулирования реологических свойств различных пищевых систем. В водных растворах арабиногалактан проявил свойства кислого полисахарида, поскольку значения активной и титруемой кислотности изменились в сторону подкисления среды. После холодильного хранения при температуре (4±2) °С в течение 5 суток все системы сохранили стабильность, визуального загущения при этом не наблюдали.
Арабиногалактан, растворимость, плотность, кислотность, вязкость
Короткий адрес: https://sciup.org/149145826
IDR: 149145826 | DOI: 10.52231/2225-4269_2024_1_219
Текст научной статьи Исследование физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана
Один из популярных потребительских трендов «здоровое питание» обоснованно поддерживается в современных медико-биологических исследованиях [1]. Последствия нутриентного дефицита в рационе населения активно обсуждаются в многочисленных публикациях. Это способствует разработке технологий и расширению ассортимента обогащенной и специализированной пищевой продукции, позволяющей снижать риски негативного воздействия внешней окружающей среды, укреплять здоровье населения. Одним из направлений решения этой задачи является внесение в рецептуру различных пищевых систем пищевых добавок, обладающих выраженным физиологическим воздействием на организм человека [2].
К числу пищевых и/или биологически активных вещества, которые входят в рекомендуемый перечень для обогащения пищевой продукции относят пищевые волокна. Несмотря на то, что эти компоненты пищи не гидролизуются пищеварительными ферментами человека, они считаются незаменимыми нутриентами, поскольку могут быть переработаны нормальной микрофлорой кишечника. На основании чего пищевые волокна иначе называют пребиотики, что буквально означает предшествующие, способствующие развитию нормальной микрофлоры толстого кишечника. Кроме того, они способствуют выведению различных метаболитов, токсинов, солей тяжелых металлов из организма, то есть нормализуют физиологические процессы. С технологической точки зрения пищевые волокна способны влиять на протекание технологических процессов, изменять физико-химические, реологические, органолептические показатели продукта [3].
На рынке пищевых ингредиентов представлен широкий выбор различных пищевых волокон, которые отличаются по медикобиологическим показаниям, физико-химическим свойствам, техническим характеристикам, наконец, по стоимости. Прежде чем сделать обоснованный выбор в пользу того или иного ингредиента, специалистам следует провести глубокий научно-технический поиск в этой области. При промышленном производстве предприятия зачастую не могут позволить себе такого рода исследования в силу ограниченности временных и финансовых ресурсов.
Цель исследования
Данная работа нацелена на проведение исследований ряда физикохимических свойств водных растворов арабиногалактана. Актуальность исследований обоснована, во-первых, тем, что арабиногалактан входит в число биологически активных веществ пищи, имеющих медико-биологические рекомендации к использованию в обогащенной и специализированной пищевой продукции [4]; во-вторых, в РФ налажено промышленное производство данного ингредиента.
Основным сырьем для получения арабиногалактана является лиственница, древесина которой содержит до 35 % этого вещества. Он входит в состав внутриклеточных полисахаридов древесины, имеет разветвленное строение. Основная цепь этого полимера состоит из остатков β,D-галактопиранозы, соединенных гликозидными связями β-(1 → 3). В состав боковых цепей входят различные фрагменты из β,D-галактопиранозы и из β,D-арабинофуранозы, соединенных β-(1 → 6) связями, а также остатки уроновых кислот, в частности глюкуроновой. Благодаря наличию функциональных групп (гидроксильных и карбоксильных) макромолекулы арабиногалактана способны образовывать ассоциаты, которые обратимо диссоциируют. В пространстве этот полимер образует компактную сферическую форму [5].
Применение арабиногалактана в пищевой промышленности регламентируется нормативными документами [6, 7], в соответствии с которыми он классифицируется как загуститель, желирующий агент и стабилизатор. Рекомендуемый суточный уровень потребления арабиногалактана составляет от 10 г (адекватный уровень) до 20 г (верхний допустимый уровень).
В научной литературе есть информация об использовании арабиногалактана в продуктах сыроделия и маслоделия [8], для изготовления йогуртного кисломолочного продукта [9], при получении составного кисломолочного продукта из обезжиренного молока и соевой основы [10]. Однако эти результаты получены с использованием разного пищевого сырья в производстве разных продуктов, что, с одной стороны, не позволяет сделать обобщенные рекомендации по использованию арабиногалактана в технологии тех или иных пищевых продуктов, а с другой стороны, побуждает к проведению дальнейших исследований.
Объект исследования
Объектом исследования служил арабиногалактан торговой марки «Лавитол», произведенный компанией ЗАО «Аметис» г. Благовещенск. Ингредиент представляет собой сухой аморфный порошок белокремового цвета, без вкуса и запаха.
В документации производителя есть информация о гигиенической и микробиологической безопасности ингредиента, но нет сведений о растворимости. В связи с этим прежде всего исследованы гидрофильные свойства арабиногалактана.
В качестве растворителя использовали воду централизованной системы питьевого водоснабжения г. Вологды, соответствующую нормативным документам [11, 12].
Навески арабиногалактана вносили в воду при непрерывном помешивании. Растворимость арабиногалактана оценивали визуально по исчезновению включений ингредиента в системе.
Методы исследования
В полученных растворах арабиногалактана исследовали общепринятыми методами при 19 °С:
– активную кислотность (рН-метр рН-150МИ);
– плотность – ареометрическим методом (ареометр АОН, цилиндр вместимостью 100 см3).
Титруемую кислотность определяли, придерживаясь стандартной методики. По объему щелочи, пошедшему на нейтрализацию кислых компонентов раствора арабиногалактана, в соответствии с законом эквивалентов можно рассчитать их концентрацию:
Сэ(NaОH) · V(NaОH) = Сэ(р) · V(р), где Сэ(NaОH) – молярная эквивалентная концентрация щелочи, моль/дм3;
V(NaОH) – объем щелочи, см3;
Сэ(р) – молярная эквивалентная концентрация раствора, моль/ дм3;
V(р) – объем раствора, см3;
Динамическую вязкость определяли капиллярным методом (вискозиметр Оствальда типа ВПЖ-2) по времени истечения воды с известной вязкостью и времени истечения исследуемого раствора.
Для расчета динамической вязкости применяли формулу, выведенную из формулы Ж. Пуазейля:
ηp=ηb∙(ρp ∙ tp)/(ρb ∙ tb), где ηр – динамическая вязкость исследуемого раствора при 19 °С, Па·с;
ηв – динамическая вязкость воды при 19 °С, Па·с;
ρр – плотность исследуемого раствора при 19 °С, кг/м3;
ρв – плотность воды при 19 °С, кг/м3;
tр, tв – время истечения соответственно исследуемого раствора и воды из капилляра одного и того же вискозиметра, с.
Динамическая вязкость и плотность воды при 19 °С, согласно справочным данным, составляли соответственно 1,030·10–3 Па·с и 998,4 кг/м3 [13].
После измерения физико-химических показателей все образцы подвергали пастеризации при температуре (88±2) °С без выдержки. После пастеризации растворы охлаждали до (20±2) °С и помещали в бытовой холодильник для определения стабильности растворов при хранении в интервале температур (4±2) °С.
Результаты исследования и их анализ
Моделирование процесса гидратации вели в образцах, согласно технологической карте, представленной в таблице 1. Температура растворения ингредиента составляла 19 °С.
Таблица 1 – Изучение продолжительности растворения арабиногалактана при разном соотношении компонентов
Состав смеси, г арабиногалактан вода |
Время растворения, мин |
|
1,5 |
98,5 |
5 |
3,0 |
97,0 |
7 |
5,0 |
95,0 |
15 |
7,0 |
93,0 |
20 |
10,0 |
90,0 |
25 |
Из данных таблицы очевидно, что с увеличением концентрации арабиногалактана в образцах удлинялся процесс его растворения. При увеличенииконцентрациикомпонентас1,5до10,0%продолжительность растворения возросла до 5 раз.
Визуально наблюдали наличие хлопьев арабиногалактана на поверхности образцов. При перемешивании образовывалась достаточно устойчивая пена. Компонент придавал раствору желтоватое, кремовое, коричневое окрашивание несмотря на то, что цвет сухого ингредиента был бело-кремовым. Кроме того, все растворы обладали клейкими свойствами, подобно сахарным сиропам. По истечении указанного в таблице 1 времени, удалось добиться полного растворения арабиногалактана. Описание визуальных наблюдений гидратации арабиногалактана в зависимости от его концентрации в растворе представлено в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты визуальных наблюдений гидратации арабиногалактана
Массовая доля арабиногалактана, % |
Визуальная характеристика раствора |
1,5 |
Подвижная прозрачная жидкость с едва различимым желтоватым окрашиванием |
3,0 |
Подвижная прозрачная жидкость с более интенсивным желтоватым окрашиванием |
5,0 |
Подвижная прозрачная жидкость с едва различимой мутностью, цвет слабо-кремовый, небольшое количество пены, отдельные хлопья ингредиента, появление сладковатого аромата |
7,0 |
Подвижная мутноватая жидкость, цвет кремовый, увеличение объема пены, сладковатый аромат |
10,0 |
Подвижная мутная жидкость, непрозрачный, цвет коричневый, на поверхности устойчивая пена, сладковатый аромат |
Результаты исследования физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Физико-химические характеристики водного раствора арабиногалактана
Массовая доля арабиногалактана, % |
Активная кислотность, единицы рН |
Титруемая кислотность, моль/дм3 |
Плотность, г/см3 |
Вязкость, Па·с |
1,5 |
5,46 |
0,001 |
1,003 |
1,094·10-3 |
3,0 |
4,91 |
0,001 |
1,007 |
1,187·10-3 |
5,0 |
4,52 |
0,002 |
1,014 |
1,315·10-3 |
7,0 |
4,31 |
0,004 |
1,022 |
1,476·10-3 |
10,0 |
4,23 |
0,005 |
1,034 |
1,768·10-3 |
По полученным данным, повышение массовой доли арабиногалактана в водных растворах положительно коррелировало с показателями плотности и вязкости, что важно при использовании этого компонента для регулирования реологических свойств различных пищевых систем.
В водных растворах арабиногалактан проявил свойства кислого полисахарида, поскольку значения активной и титруемой кислотности изменились в сторону подкисления среды. По-видимому, это связано с диссоциацией карбоксильных и гидроксильных групп, входящих в состав этого гидроколлоида.
После измерения физико-химических показателей все образцы подвергли пастеризации при температуре (88±2) °С без выдержки. При этом все растворы приобрели прозрачность.
После холодильного хранения при температуре (4±2) °С в течение 5 суток все системы сохранили стабильность, визуального загущения при этом не наблюдали (рису н ок 1).

Рисунок 1 – Образцы с массовой долей арабиногалактана: а) 1,5 %; б) 3,0 %; в) 5,0 %; г) 7,0 %; д) 10,0 % после холодильного хранения
Из литературных данных известно, что арабиногалактан был растворим в воде в широком диапазоне температур и концентраций. Например, описаны результаты, согласно которым авторам удалось растворить от 14 до 50 г компонента в 100 мл воды при температуре от 0 до 90 °С в течение 15 мин [8].
Новизна полученных нами результатов заключается в детализации температурно-временных характеристик растворимости арабиногалактана в диапазоне его массовой доли от 1,5 до 10,0 %.
Изучение физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана различной концентрации позволит разработать рекомендации для использования этого вида пищевых волокон в производстве различных обогащенных продуктов. По полученным данным, арабиногалактан в интервале концентраций от 1,5% до 10,0 % растворим в воде при температуре 19 °С. В указанных концентрациях арабиногалактан является источником растворимых пищевых волокон. Допускаем, что данный ингредиент можно будет использовать в качестве пищевой добавки, отвечающей за текстуру готового пищевого продукта. Для подтверждения или опровержения рабочей гипотезы дальнейшие исследования планируется проводить с молочным сырьем.
Список литературы Исследование физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана
- Тутельян, В. А. Приоритеты государственной политики здорового питания населения России на федеральном и региональном уровнях // ПФЦОП: сайт. - URL: http://pfcop.opitanii.ru/articles/state_ feed_prioritets.shtml (дата обращения: 17.11.2023).
- Стратегия повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года: Распоряжение Правительства Российской 146 Федерации № 1364-р: [утв. Правительством Российской Федерации 29 июня 2016 года]: (с изменениями и дополнениями). -Доступ из справ.- правовой системы КонсультантПлюс.
- Новокшанова, АЛ. Пищевая химия: учебник для вузов/ А.Л. Новокшанова. - Москва: Издательство Юрайт, 2024. - 307 с. - (Высшее образование) // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. - URL: https://urait.ru/bcode/544174 (дата обращения: 02.03.2024).
- Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к продукции (товарам), подлежащей санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю): утв. решением Комиссии Таможенного союза № 299 от 28 мая 2010 г. (с изменениями на 10 ноября 2015 года).
- Медведева Е.Н. Арабиногалактан лиственницы - свойства и перспективы использования (обзор) / Е.Н. Медведева, В.А. Бабкина, Л.А. Остроухова // Химия растительного сырья. - 2003. - № 1. - С. 27-37.
- Постановление Главного государственного санитарного врача от 14.11.2001г. № 36 «О введении в действие санитарных правил (СанПин 2.3.2.1078-01)».
- Методические рекомендации Государственного санитарно-эпидемиологического нормирования Российской Федерации № 2.3.1.1915-04 от 2004 г. «Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ».
- Дунаев, А.В. Дигидрокверцетин и арабиногалактан -натуральные пищевые добавки в продуктах сыроделия и маслоделия / Дунаев А.В., Иванова Н.В., Смирнова А.И. // Сборник научных трудов к 75-летию со дня основания ВНИИМС. - Углич, ВНИИМС - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 2019. - С. 274-277.
- Завезенова И.В. Йогуртный кисломолочный продукт, обогащенный функциональной добавкой арабиногалактан // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 6-1. - С. 29-32. - URL: https:// fundamental-research.ru/ru/article/view?id = 34102 (дата обращения: 01.03.2024).
- Решетник, Е.И. Исследование возможности обогащения кисломолочных продуктов пищевой добавкой «Лавитоларабиногалактан» / Е.И. Решетник, Е.А. Уточкина // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 2 (17). - С. 3-7.
- ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля»
- Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.
- Справочник химика. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника. - Ленинград: Химия, 1966. - 1073 с.