Исследование влияния альтернативного сахарозаменителя на растворимость лактозы

В современном мире остро стоит проблема избытка углеводов в рационе населения. Среди молочных продуктов наибольшим содержанием углеводов характеризуется сгущенное молоко с сахаром. В его состав входит лактоза в количестве 11,5–12,5 % и сахароза – 43,5–46 %. Последняя выполняет функцию консерванта и обеспечивает сохранность продукта за счет повышения осмотического давления [1].

В настоящее время значительная часть населения страдает избыточным весом по причине чрезмерного потребления углеводов [2]. Поэтому для снижения калорийности продуктов предлагаются различные сахарозаменители. Большая часть работ включает исследования по полной или частичной замене сахарозы на такие сахара как фруктоза [3–6], олигофруктоза [7], пчелиный мед [8], глюкоза и галактоза [9, 10], крахмальная патока [11] и др. Основными недостатками указанных альтернативных сахарозаменителей является их высокая калорийность.

Из вышеизложенного следует, что необходим дальнейший поиск более эффективных сахарозаменителей.

С целью снижения калорийности сгущенного молока с сахаром предлагается разработать продукт с частичной заменой сахарозы на аллюлозу [12].

Аллюлоза является довольно редко встречающимся в природе моносахаридом [13, 14, 15]. Он характеризуется пониженной относительно сахарозы калорийностью (20 ккал на 100 г) при сопоставимом индексе сладости (70%), имеет низкий гликемический индекс и обладает гиполипидемическими, антиоксидантными и нейропротекторными свойствами. [13, 15]. Аллюлоза также принимает участие в модуляции микрофлоры кишечника и формировании пробиотического профиля продукта. Это позволяет предполагать положительное влияние при ее употреблении на резистентность к инсулину, обеспечивая профилактику диабета. Безопасность аллюлозы, подтверждается статусом GRAS, что дает основания рассматривать ее в качестве функционального ингредиента и позволяет использовать её в пищевых продуктах [15].

В технологии консервированных молочных продуктов с сахаром важным процессом является кристаллизация лактозы, которому предшествует процесс растворения. Однако, в литературе отсутствуют данные по влиянию аллюлозы на растворимость лактозы, а, следовательно, на кристаллизационные процессы, на консистенцию и, в конечном итоге, на качество готового продукта.

Цель настоящей работы – исследование растворимости лактозы в присутствии аллюлозы.

Материалы и методы

Описание методики определения растворимости . В лабораторных условиях были приготовлены водные растворы аллюлозы с концентрацией от 5, 10, 15 и 20%. В полученный растворитель вносилась кристаллическая лактоза из расчета, чтобы обеспечить в конце процесса ее избыток в количестве не менее 10%. Исследования проводились при температурах 20, 40 и 60 °С, поскольку эти температуры соответствовали промышленным условиям кристаллизации лактозы в сгущенных молочных продуктах с сахаром. Термостатирование модельных систем «аллюлоза – лактоза – вода» осуществлялось при перемешивании магнитной мешалкой до постоянного значения сухих веществ, определяемых рефрактометрически с помощью рефрактометра марки ИРФ-454 (по ГОСТ 34128, ГОСТ 33917). Погрешность определения массовой доли сухих веществ составила 0,5%. В конце процесса измерялась массовая доля сухих веществ и по полученному значению рассчитывалась массовая доля воды, аллюлозы и лактозы. Исследования были проведены в трехкратной повторности.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчет состава насыщенных растворов

Параметр	Температура, °С
	20		40	60
5%-й растворитель
Массовая доля СВ, %	19,65	27,36		38,93
Массовая доля воды, %	80,35	72,64		60,07
Массовая доля лактозы,%	15,36	23,51		35,69
Массовая доля аллюлозы,%	4,26	3,85		3,34

10%-й растворитель
Массовая доля СВ,%	23,20	30,00	40,50
Массовая доля воды,%	76,80	70,00	59,50
Массовая доля лактозы,%	14,67	22,23	33,96
Массовая доля аллюлозы,%	8,53	7,77	6,54
15%-й растворитель
Массовая доля СВ,%	26,55	32,60	42,2
Массовая доля воды,%	73,45	67,40	57,8
Массовая доля лактозы,%	13,62	20,74	32,0
Массовая доля аллюлозы,%	12,93	11,86	10,17
20%-й растворитель
Массовая доля СВ,%	30,00	35,25	44,00
Массовая доля воды,%	70,00	64,75	56,00
Массовая доля лактозы,%	12,50	19,06	30,00
Массовая доля аллюлозы,%	17,50	16,19	14,00

По полученным данным была рассчитана растворимость лактозы Н_л, кг/кг воды. Зависимость растворимости лактозы от концентрации аллюлозы отражена графически на рисунке, уравнения, описывающие полученные кривые представлены в таблице 2.

Рисунок – Зависимость растворимости лактозы от концентрации аллюлозы в растворителе при различных температурах: 1 – 20 °С, 2 – 40 °С, 3 – 60 °С

Таблица 2 – Уравнения регрессии, описывающие зависимость растворимости лактозы от концентрации аллюлозы при разных температурах

Температура, ⁰С	Уравнение	Коэффициент детерминации
20	Нл =0,1940 - 0,0535x	R² = 0,8797
40	Нл = 0,3289 - 0,1302x	R² = 0,9599
60	Нл = 0,5900 - 0,2073x	R² = 0,9828

Полученные данные свидетельствуют о том, что растворимость лактозы возрастает с ростом температуры как в чистой воде, так и в присутствии аллюлозы. Установлено, что повышение концентрации аллюлозы в растворителе снижает растворимость лактозы и закономерность носит линейный характер при каждой из исследованных температур. В общем виде все полученные уравнения имеют вид:

,,p- , (1)

где Нл, Нло – растворимость лактозы в присутствии аллюлозы и в чистой воде соответственно, кг/кг Н2О;

Н_{пр .} – содержание аллюлозы в растворителе, кг/кг Н₂О;

а – коэффициент.

Коэффициента в зависимости от температурыбыл аппроксимирован уравнением и представлен в общем виде:

а = А· ехр(- Е/R·Т), (2)

где А – постоянная;

Е –энергия активации процесса, Дж/моль;

R – газовая постоянная, Дж/(моль К);

Т – температура, К.

В результате математической обработки было получено уравне- ние:

а =0,0292·ехр (13779,3/R·Т). (3)

Аналогичное снижение растворения лактозы наблюдается также в присутствии глюкозы, галактозы, сахарозы и других сахаров [16, 17].

По уравнениям (1) и (3) был проведен расчет растворимости лактозы. Результаты показали, что относительная погрешность составляет 1,13%, что подтверждает адекватность полученных моделей.

Снижение растворимости лактозы в присутствии аллюлозы может быть объяснено гидратационными явлениями [18, 19, 20].

Принимая во внимание, что все молекулы воды, входящие в состав системы, могут находиться в двух состояниях – свободном и связанном, можно предположить следующее. Введение в систему (раствор) дополнительного осмотически активного вещества – аллюлозы – приводит к тому, что часть молекул воды, находящихся в свободном состоянии и доступных для растворения лактозы переходят с связанное с аллюлозой состояние, гидратируя ее молекулы. Это в свою очередь приводи к снижению свободной воды и снижению растворимости лактозы.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что гидратационные процессы влияют на фазовое равновесие и, таким образом, на состав насыщенного раствора, а, следовательно, на коэффициент пересыщения. Коэффициент пересыщения в свою очередь является одним из основных параметров при кристаллизации.

Выводы

Аллюлоза снижает растворимость лактозы и, следовательно, интенсифицирует процесс кристаллизации. Это следует учитывать при управлении процессом кристаллизации лактозы в промышленных условиях при производстве консервированных молочных продуктов с сахаром.