Исследование влияния условий процесса и свойств среды на кинетику процесса набухания хлопьев зеленой гречки

Хлопья зеленой гречки (ХЗГ) – многокомпонентная система, в которой способностью к набуханию обладают, главным образом, белки, крахмал и клетчатка.

ХЗГ богаты белками, углеводами, витаминами, макро- и микроэлементами и являются важным сырьевым источником, повышающим пищевую и биологическую ценность продуктов питания.

Содержание белка ХЗГ варьируется в пределах 13-15 %. Белковая фракция представлена альбумином 18,2 %, глобулином 43,3 %, проламином 0,8 %, глютелином 22,7 % и 5,0 % других биологически активных компонентов. Альбумины хорошо растворяются в воде и солевых растворах. Поэтому набухание для них, особенно при повышенных температурах, является первой стадией растворения (неограниченное набухание). Глобулины в воде нерастворимы, но растворимы в водных растворах нейтральных солей.

Состав основных аминокислот ХЗГ (г/100г белка) представлен в таблице 1.

Зеленая гречка содержит много флавони-дов, известных своей эффективностью в снижении уровня холестерина в крови и предотвращении высокого кровяного давления. Выделен состав флавонидов хлопьев зеленой гречки: рутин, кверцетин, ориентин, витексин, изовитексин, изоориентин. В состав ХЗГ входят следующие аминокислоты, %: лизин (5,1), метионин (1,9), цистин (2,2), треонин (3,5), валин (4,7), изолейцин (3,5), лейцин (6,1), фенилаланин (4,2), гистидин (2,2), триптофан (1,6).

Также особое внимание привлекает уникальный состав углеводов ХЗГ из-за содержания в них хироинозитола. Доказано, что это растительное вещество способно снизить уровень глюкозы в крови и активизировать инсулин.

Общее содержание пищевых волокон в семени зеленой гречки составляет 5-11 %. Основными компонентами пищевых волокон является целлюлоза, некрахмальные полисахариды, представленные глюкуроновой кислотой, маннозой, арабинозой, галактозой, глюкозой, и лигна-ны. Зеленая гречка находится на 3 месте, среди многих зерновых культур по количеству вырабатываемых лигнанов. Эти растительные компоненты действуют как гормоны, как фитоэстрогены. В свою очередь клетчатка делится на растворимую и не растворимую. В ХЗГ преобладает растворимая клетчатка [1, 2, 3].

Помимо функциональных свойств ХЗГ, благодаря содержанию в них гидрофильных высокомолекулярных соединений, в частности белков, крахмала и клетчатки, обладают и важными технологическими свойствами, такими как водосвязывающая способность и набухание, что способствует улучшению структурно-механических свойств разрабатываемых пищевых систем и потребительских свойств готовых продуктов. Все вышесказанное создает предпосылки для применения ХЗГ в качестве добавки в производстве многих продуктов питания [3].

Процесс набухания зависит от природы высокомолекулярного соединения (ВМС), температуры, состава и рН поглощаемой жидкости и может протекать ограниченно и неограниченно. Характер протекания процесса оказывает влияние на качественные показатели полуфабрикатов и продуктов. Поэтому важно знать особенности набухания ХЗГ при различных условиях протекания процесса [4].

Цель работы – исследование процесса набухания хлопьев зеленой гречки при различных показателях рН среды, определение доли свободной и связанной воды в набухших ХЗГ.

В качестве рабочих растворов использованы:

– дистиллированная вода (измеренное значение рН 5,86);

– модельные растворы с различным показателем рН, приготовленные из растворов HCl и NaOH (значение рН контролировали).

Исследование кинетики набухания хлопьев зеленой гречки проводили в специальном приборе – набухомере, по методике, изложенной в [5], при температуре 20 ° С.

Количество гидратированной воды в ХЗГ определяли измерением теплоты набухания по методике, предложенной А.В. Думан-ским и Е.Ф. Некряч [8]. Присоединение первых порций воды к полярным группам ВМС (первая стадия набухания – гидратация) происходит как слабая экзотермическая реакция, тепловой эффект которой тем выше, чем сильнее выражены гидрофильные свойства вещества; дополнительные порции воды сорбируются без какого-либо ощутимого выделения энергии. Массу воды mг.в., связываемой единицей массы ВМС, можно определить, если из- вестна энергия перехода единицы массы воды из свободного в связанное состояние (по данным А.В. Думанского и Е.Ф. Некряч для большинства ВМС она составляет 334,4 Дж/г) и удельная теплота набухания АН:

АН m =-----.

г . в .     _334,4

Теплоту набухания определяли в калориметре, совмещенном с персональным компьютером, и позволяющем фиксировать изменение температуры при протекании процесса с точностью ± 0,001 ° С по методике, изложенной в [6].

Количественной характеристикой набухания является степень набухания i – величина, показывающая относительное увеличение массы ВМС при набухании:

т - m

m

ж

m

m

где m 0 , m – масса сухого и набухшего вещества; m ж – масса поглощенной жидкости.

Полученные кинетические кривые (рисунок 1) указывают на ограниченный характер набухания основных компонентов ХЗГ во всех исследуемых растворах: степень набухания i достигает предельного при данных условиях проведения процесса значения i max и далее не меняется. В щелочной области рН имело место частичное растворение определенных компонентов, о чем свидетельствовало помутнение рабочего раствора, но на общем характере процесса это заметно не отразилось.

рН 2,18                рН 3,11                 рН 3,98                рН 5,86 (д/в)

рН 6,86                рН 8,23                рН 9,84                рН 10,72

Рисунок 1. Кинетические кривые набухания хлопьев зеленой гречки в модельных растворах с различным показателем рН при 20 ° С

Кинетика ограниченного набухания идет по механизму реакции первого порядка [4]: di

— = k ( i    ^- i ) ,            (3)

dT      max где di/dT - скорость набухания (изменение степени набухания в единицу времени); k – константа скорости набухания; i, imax – текущая (за время τ) и предельная степени набухания.

Решение уравнения (3) для константы скорости набухания имеет вид:

1i k = "ln-^".          (4)

t i - 1

max

В работе определены предельная степень и константа скорости набухания ХЗГ в растворах с различным показателем рН (рисунок 1). Кислотность среды влияет, главным образом, на набухание полиамфолитов, каковыми являются белки, составляющие большую часть набухающих компонентов ХЗГ. В зависимости от рН среды белковые макромолекулы принимают различные конформации. Минимальная степень набухания белка соответствует его изоэлектрической точке (ИЭТ), при которой устанавливается равенство положительных и отрицательных зарядов в макромолекуле, и она сворачивается в клубок или глобулу, что затрудняет проникновение молекул растворителя внутрь матрицы ВМС. Согласно данным [3], альбумины и глобулины имеют индивидуальную ИЭТ: альбумин – 8,0; глобулин –5,5. Исследования показали, что минимальные значения предельной степени набухания наблюдаются при рН 5,86, близком к ИЭТ глобулина. Относительно невысокие значения предельной степени набухания наблюдаются и при рН 8,23 и 9,84, близких к ИЭТ альбумина.

Сравнение значений константы скорости набухания (рисунок 2) показало, что максимальная скорость набухания наблюдается при рН 3,98, чуть ниже она при рН 5,86 и 8,23.

Рисунок 2. Константа скорости набухания ХЗГ в модельных растворах с различным показателем рН при 20 °С

В работе измерены интегральные удельные теплоты набухания А Н набухающей фракции ХЗГ и рассчитана масса воды m г.в. , сорбированной высокомолекулярными веществами на стадии гидратации, установлена ее доля х г.в. в общей массе поглощенной жидкости (таблица 2).

Т а б л и ц а 2

Теплота набухания и масса гидратной воды в набухших ХЗГ

рН среды	2,18	3,11	3,98	5,86	6,86	8,23	9,84	10,72
– Δ Н , Дж/г	20,5	22,7	20,7	19,3	19,0	20,7	22,3	24,5
Т г.в. , ГН 2 О/ГВМС	0,061	0,068	0,062	0,058	0,057	0,062	0,067	0,073
Х г.в. , %	3,0	3,0	3,8	3,7	3,7	3,5	3,2	3,0

Гидратная вода прочно удерживается веществом и обладает особыми свойствами: низкой температурой замерзания, высокой энтальпией парообразования, высокой вязкостью, низкой растворимостью в ней веществ. Ее повышенное содержание обеспечивает лучшую хранимоспособность продукта и его потребительские свойства. Зависимость m г.в. от рН среды практически повторяет аналогичную зависимость для i max . В общей массе поглощенной жидкости доля гидратной воды составляет 3,0 – 3,8 %.