Оценка влагоудерживающей способности подсластителей

Потребительские свойства пищевых продуктов определяются в том числе влагоудерживающей способностью составляющих их компонентов. Влагоудерживающие свойства вещества напрямую связаны с его способностью к влагопогло-щению (гидрофильностью). При этом данные по гидрофильности подсластителей в литературе практически отсутствуют. В основном рекомендуется определять гидрофильность подсластителя для каждого конкретного случая в сравнении с уже применяемым, например сахарозой. Известны значения гидрофильности фруктозы, глюкозы и сахарозы [1]. Также известно, что влагоудерживающая

способность сорбита, превышает этот критерий сахарозы в 1,4 раза [2]. Но наиболее часто в литературе не приводится численное значение гидрофильности подсластителя, а просто указывается, что, например, сорбит и ксилит – влагоудерживающие соединения [3].

Для определения гидрофильности поверхностно-активных веществ широко применяется изопиестический метод. Также известно его применение для определения водосвязывающих свойств сахарозаменителя изомальтата относительно аналогичных свойств сахарозы [4].

Цель работы – подбор критерия оценки влагоудерживающей способности подсластителей.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Материалы и методы

В качестве метода для оценки гидрофильности подсластителей выбран метод изо-пиестирования, заключающийся в измерении массы поглощенной воды определенным количеством подсластителя из паров воды различной активности. Для получения водяных паров с различной активностью применяются растворы соответствующих солей. Измерения проводя до установления изопиестического равновесия между образцом и парами воды над насыщенным раствором соли.

Для выполнения исследований в эксикаторы с растворами солей с различной активностью паров воды а w [5] (таблица 1) помещали предварительно высушенные до постоянной массы ( m 0 ) образцы (глюкоза, сорбит, сахароза, эритрит, цикломат натрия), закрывали и выдерживали при постоянной температуре 298±2,0 ° К, периодически определяя массу подсластителя с поглощенной водой на аналитических весах с точностью ± 0,0001 г.

Таблица 1.

Активностью паров воды над насыщенным раствором солей [5]

Table 1.

The activity of water vapor over a saturated salt solution [5]

Вещество | Substance	a w
Сu(NO 3 ) 2 •6H 2 O	0,315
NiCI 2 •6H 2 0	0,529
NаNO 3	0,738
KCI	0,843
KNO 3	0,925
Pb(NO 3 ) 2	0,954
K 2 Cr 2 O 7	0,980

Измерения проводили каждые 15 мин. Изопиестическое равновесие между образцами подсластителей и парами воды достигнуто не было, масса образцов непрерывно увеличивалась, визуальным сигналом окончания эксперимента служил эффект «стеклования» подсластителя, время его появления варьировалось от 30 мин. до 7 ч.

Обсуждение

Массу воды, поглощенной 1 г подсластителя (таблица 2) рассчитывали по формуле 1:

• m - mn i =------0

m0

m ж

m0

где m – масса образца подсластителя при достижении эффекта «стеклования»; m ж – масса поглощенной воды.

По полученным данным строили изопиесты (рисунок 1) в координатах i= f (a w ).

Рисунок 1. Изопиесты сорбции паров воды подсластителями: сорбит (1), сахароза (2), глюкоза (3), цикломат натрия (4), эритрит (5)

Figure 1. Isopiests of water vapor sorption by sweeteners: sorbitol (1), sucrose (2), glucose (3), sodium cyclamate (4), erythritol (5)

По полученным изопиестам сорбции воды можно сделать вывод, что максимальной гидрофильностью из рассмотренных подсластителей обладает сорбит, а минимальной – эритрит. Сорбция паров воды подсластителями в малой и средней области парциальных давлений увеличивается практически линейно, что объясняется постепенной гидратацией полярных групп подсластителей на поверхности кристалла. В области высоких значений парциальных давлений, когда вся поверхность кристалла гидратирована, наступает многослойная сорбция паров воды, что приводит к резкому увеличению количества поглощаемой воды.

В качестве возможного критерия гидрофильности подсластителей рассчитали значения интегральная энергии Гиббса гидратации Δ h G , Дж/моль [5]:

a _w

А_й G = nRTlna_w - RT J ndlna_w      (2)

где n – количество поглощенной воды, моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); T - температура, ° К; a w - активность воды.

J w ndlna_w определяли гравиметрически как площадь под изопиестами сорбции воды. Полученная величина выбрана в качестве аналитического сигнала метода, показывающего величину гидратации подсластителя.

Для оценки полярности молекул при изучении ПАВ применяются различные методы расчета гидрофи́льно-липофи́льного бала́нса поверхностно-активных веществ. Эти подходы также были оценены как возможные критерии гидрофильности подсластителей – рассмотрели критерии Гриффина, Дэвиса и упрощенный критерий гдрофобности. Расчет проводили приняв, что суммарная гидрофобность молекулы подсластителя рассчитывается с учетом количества углеводородных фрагментов (гидрофобная часть) и полярных функциональных групп (гидрофильная часть).

Расчет критерия Гриффина проводили по формуле:

H глб = 20*Mh-, (3) где M h – молекулярная масса гидрофильной части молекулы, M – молекулярная масса всей молекулы.

Критерий Дэвиса определяли, как m

H д = 7 i ^ H -0,475*n , (4) i = 1

где m – количество гидрофильных групп в молекуле; H i – число для i-ой гидрофильной группы; n – количество атомов углерода в молекуле.

Упрощенный критерий гидрофобности рассчитывали по формуле:

^H г = n h ^—4Vni" , ⁽⁵⁾ где n h – число элементарных гидрофобных фрагмент; n i – число полярных функциональных групп.

Все рассчитанные критерии приведены в таблице 2. Установлено, что с известными литературными данными [1, 2] и полученными изопиестическим методом площадями под изопиестами сорбции воды

j _owndlna_w удовле-

творительно коррелирует только интегральная энергия Гиббса Δ h G .

Отсутствие корреляции с критериями гидрофильно-липофильного баланса объясняется, в частности образованием циклических форм сахаров.

Максимальное количество гидрофильных групп содержится в молекуле сахарозы, однако ее существование в циклической форме приводит к тому, что свободными являются только 4 полярные группы, что объясняет, почему это не самое гидрофильное вещество из изученных.

Наибольшей гидрофильностью характеризуется сорбит (шестиатомный спирт), так как его молекула линейна, то все полярные группы доступны для гидратации.

Также отсутствует корреляция с растворимостью подсластителей в воде

Таблица 2.

Различные критерии оценки гидрофильности и адсорбция А воды подсластителями (20 °С, относительная равновесная влажности 100 %, время сорбции 25 дней

Table 2.

Various hydrophilicity evaluation criteria and adsorption A of water by sweeteners (20 ° C, relative equilibrium humidity 100%, sorption time 25 days

	j a w ndlna w	А [1, 2]	- 4 h G, Дж/моль	Метод Гриффина Griffin method	Метод Дэвиса Davis method	Упрощенный критерий гидрофобности Simplified hydrophobicity criterion	Растворимость, г/100 г., 25 ° С [1] Solubility, g/100 g, 25 C [1]
Сорбит Sorbitol C 6 H 14 O 6	0,3699	25,76	4,076	11,20	15,55	-3,79	235
Сахароза Sucrose С 12 Н 22 О 11	0,3161	18,4	3,443	7,95	16,50	-1,26	214
Глюкоза Glucose С 6 Н 12 О 6	0,3059	14,5	3,338	9,43	13,65	-3,79	82
Цикломат натрия Sodium cyclomat C 6 H 12 NNaO 3 S	0,1787	–	1,965	8,06	13,55	– 1,00	260
Эритрит Erythritol C 4 H 10 0 4	0,1002	–	1,159	11,14	12,70	-4,00	57

Заключение

Построены изопиесты сорбции паров воды подсластителями, проведен анализ полученных кривых. Изучены различные критерии оценки гидрофобной и полярной составляющих молекул. Рассчитаная интегральная энергия Гиббса гидратации подсластителей рекомендована в качестве критерия влагоудерживающей способности подсластителей.