Осмотическая дегидратация ягод: изучение параметров массопереноса

Сохранение продуктов растительного происхождения для продления срока годности с обеспечением его безопасности и качества, является главной задачей пищевой промышленности. Основной причиной быстрой порчи ягод является высокое содержание в них воды. Для того чтобы увеличить срок хранения данного вида продукта, были опробованы многие методы или комбинации методов. В последнее

время наиболее популярным методом сохранения плодово-ягодного сырья является осмотическая дегидратация различными осмотическими растворами.

Осмотическая дегидратация является одним из лучших и подходящих методов для увеличения срока хранения плодов и ягод. Данный процесс является предпочтительным по сравнению с другими из-за сохранения питательных свойств, витаминов, минералов и органолептических показателей [1].

Процесс осмотического обезвоживания продуктов растительного происхождения включает в себя частичное удаление воды путем погружения в концентрированные водные растворы с высокими осмотическими свойствами в течение заданного времени и температуры [2].

Осмотическая дегидратация – это явление удаления воды из более низкой концентрации растворенного вещества в более высокую концентрацию через полупроницаемую мембрану, что приводит к равновесному состоянию на обеих сторонах мембраны [3, 4].

Осмотический процесс дегидратации представляет собой многокомпонентный процесс диффузии, который включает три типа явлений встречного массопереноса. К ним относятся: отток воды из пищевой ткани в осмотический раствор, перенос растворенного вещества из осмотического раствора в пищевую ткань и выщелачивание собственных растворов (сахара, органических кислот, минералов, витаминов) в осмотический раствор. Последняя передача является количественно незначительна по сравнению с двумя другими типами [4]. Следовательно, движущей силой в этом процессе является различие осмотического давления растворов с обеих сторон полупроницаемой мембраны.

При осмотической дегидратации используют растворенные вещества обычно это сахарный сироп для плодов или ягод. Осмотическая дегидратация – многокомпонентный процесс диффузии в котором поток воды из данных продуктов переходит в раствор вместе с некоторыми компонентами (минералы, витамины, фруктовые кислоты и др.) и движутся к решению при этом сахар мигрирует к продукту [1–3].

Изучение массопереноса

Осмотическое обезвоживание – это процесс массопереноса, который приводит к многочисленным изменениям химического состава и физических свойств продуктов [1–6]. Одним из таких свойств является сорбция воды. Уровень влаги влияет на физические и реологические характеристики продуктов питания [5].

Диффузия воды и низкомолекулярных веществ из структуры ткани при осмотической дегидратации сопровождается противоточной диффузией осмоактивных веществ [10]. Все эти массовые обмены между осмотическим раствором и пищевыми продуктами влияют на общее качество обезвоженного продукта, т. е. на питательную ценность и на органолептические свойства. Следовательно, необходимо учитывать диффузионные и осмотические процессы, взаимодействия потоков и усадки тканей для точного описания явлений массопереноса при осмотической дегидратации. Так же изучено, что скорость диффузии воды из продукта и поглощения твердых веществ зависят от нескольких факторов: типы и концентрация осмотического агента, температура обработки, перемешивания во время процесса [11–13].

Авторами Bchir B., Shi J. и др. были проведены исследования в области увеличения скорости осмотического массопереноса для сокращения времени обработки [14, 15] и сведены к минимуму поглощения осмотических твердых частиц, поскольку это может серьезно изменить органолептический и питательный профиль продукта [10, 16]. Следовательно, различные факторы, влияющие на процесс и их моделирование важны для оптимизации процесса.

Активность и кристаллизация воды

Осмотическая дегидратация также получила широкое применение в сохранении растительных продуктах в связи с тем, что она снижает в них водную активность [3].

Вода является важным элементом в растительных продуктах. Измерение водной активности имеет важное значение и предоставляет информацию о качестве продукта т. е. о возможности микробиологического роста на поверхности [10].

Активность воды ( А W ) определяется как отношение паров давление воды в продукте к давлению пара чистой воды при той же температуре [10, 17–19]. Активность воды показывает, насколько вода связана в продукте, от структурной и химической точки зрения и, следовательно, описывает наличие воды для участия в химических и биохимических реакциях. Известно также, что микробная стабильность пищи во многом зависит от активности воды [18]. Различные микроорганизмы требуют различных уровней А W для их роста. Активность воды выражается в безразмерных единицах шкалы от нуля до единицы, при этом чистая вода соответствует активности воды 1.00 [10]. Следовательно, чем меньше массовая доля воды в продукте, тем ниже активность воды, что подтверждается научными данными [10, 17, 18].

В своих научных трудах авторы Beuchart и Prothon утверждают, что микробная пролиферация не происходит, когда АW ≤ 0.5, но предполагается, что микробиологическая безопасность обеспечивается при значении AW ≤ 0.6 [10, 18–20]. Общий способ представления отношений между AW и содержания воды является сорбционная изотерма [10, 18, 19], однако нет прямой взаимосвязи между этими двумя параметрами. Поэтому форма кривой зависит, прежде всего, от состава и структуры материала, температуры и давления [10]. Для большинства пищевых продуктов самым разносторонним и подходящим считается диапазон водной деятельности 0–0.85 [10].

В своих исследованиях Klewicki и др. утверждают, что знание характеристик сорбции воды важно для определения срока годности при хранении критической влаги и для приемлемости продуктов, которые теряют абсорбционную влагу [10]. Изучение содержания воды во время хранения поможет совершенствовать продукцию в качестве, и сократить время для оценки срока годности. Активность воды, позволяет оценить степень подверженности продуктов с промежуточной влажностью микробиологической и другой порче. Контролируя функционально-технологические показатели в продукте и, в частности, показатель Aw , можно прогнозировать его пригодность к хранению, что позволяет определить и создать оптимальные условия хранения продукта после размораживания для дальнейшей реализации [10, 21].

Изучение температур кристаллизации воды в ягодной продукции и определение количества кристаллизованной воды при этих температурах является особенно важным для теоретического обоснования режимов замораживания ягод. Количеством вымороженной воды или кристаллизованной воды принято называть относительное количество воды, превратившейся в лед при данной температуре кристаллизации, отнесенное к общему количеству воды в продукте (в %). Количество вымороженной воды зависит только от свойств продукта и температуры, до которой заморожен продукт [22, 23].

Процесс массопереноса был смоделирован на основе изучения осмотической дегидратации раствором сахарозы с последующим выявлением криоскопической температуры, количества вымороженной воды и активности воды.

Ягоды обладают высокой влагоудерживающей способностью из-за различия в составе их клеточных стенок. Влагоудерживающая способность ягод при замораживании снижается из-за того, что кристаллы льда повреждают клеточные мембраны. Поэтому существенное значение имеет предварительная подготовка сырья к замораживанию, для получения высококачественной продукции. Известно, что при размораживании ягоды размягчаются и для того чтобы лучше сохранить структуру ягод необходимо замораживание проводить до наступления стадии биологической зрелости. На первоначальном этапе необходимо особенно уделить внимание сырью, необходимо отобрать сырье соответствующей степени зрелости и пригодное для замораживания.

Также известно, что основным недостатком метода замораживания является изменение структуры ткани в ягодном сырье. При замораживании структура продуктов изменяется, происходит сдавливание и разрыв клеток, прокалывание их кристаллами льда [22, 23]. Поэтому замораживание должно быть без значительного повреждения, чтобы травмирующее действие кристаллов на клетки и ткани было минимальным.

В результате чего необходимо предварительно защитить ягодное сырье от существенных повреждений во время замораживания. Следовательно, для защиты или от разрушения структуры ягодного сырья, применим метод осмотической дегидратации с использованием растворенного вещества – раствор сахарозы, для частичного удаления воды.

Основной целью работы является, снижение активности воды, увеличение сахара и удаление воды из ягодного сырья в целях повышения их стабильности при хранении за счет осмотической дегидратации.

Материалы и методы

На первом этапе были отобраны ягоды (земляника садовая, малина, ежевика, черная смородина) пригодные для замораживания, прошедшие первичную подготовку (сортировка, калибровка, удаление растительных элементов), далее подвергались процессу обезвоживания раствором сахарозы при заданной концентрацией 60°Brix и 70°Brix с временной выдержкой (от 1 – 4 часов) в соответствии с видом продукта. Обезвоженные ягоды подвергались методу термического анализа для определения начала кри-стализации, активности и вымороженной воды в сравнении с контрольным образцом. За основу контрольного образца было взято не обезвоженное раствором сахарозы ягодное сырье.

Результаты и обсуждение

Изучение процесса кристаллизации воды даст большой объем информации не только о состоянии воды внутри клеток и межклеточного пространства, но и в исследуемых объектах в целом.

При изучении зависимости теплоемкости образцов по температуре фазового перехода вода-лед получены достаточные экспериментальные данные о количестве замерзшей (свободной)

и незамерзшей (стесненной) воды во всех пробах по отношению к их начальной влажности [24]. Полученные данные станут основой для разработки технологического процесса замораживания с использованием метода осмотической дегидратации раствором сахарозы различных растительных материалов.

Определение криоскопической температуры необходимо для выявления количества вымороженной и активности воды. Криоскопическую температуру ягод осуществляли методом термического анализа. В результате термического анализа определена температура начала кристаллизации воды при различной концентрации растворов сахарозы в ягодной продукции (рисунок 1) .

земляника садовая strawberries (garden)

• ■    70°Brix

• ■    60°Brix

• ■    контроль control

  черная смородина black currant

  ежевика blackberry

  малина raspberry

  

  криоскопическая t °C cryoscopic

  
  

Рисунок 1. Влияние осмотической обработки ягод на криоскопическую температуру

Figure 1. Effect of osmotic processing of berries on cryoscopic temperature

Начальная криоскопическая температура в контрольных образцах составила: земляника (-0,7 °С), малина (-1,1 °С), ежевика (-0,8 °С), черная смородина (-1,8 °С). Криоскопическая температура ягод, осмотически обезвоженных раствором сахарозы с 60°Brix концентрацией составила: земляника садовая (-1,8 °С), малина (-2,6 °С), ежевика (-1,1 °С), черная смородина (-2,5 °С); обезвоженные 70°Brix: земляника садовая (-2,7 °С), малина (-2,9 °С), ежевика (-1,7 °С), черная смородина (-4,8 °С). Полученные результаты указывают на то, что ягоды, обработанные 60°Brix раствором сахарозы, еще содержат небольшое количество воды, чем у ягод, обработанных 70°Brix раствором.

Согласно полученным результатам, а также данным, представленным в литературных источниках [25–27], чистая вода замерзает при 0 °С, при этом для натуральных пищевых продуктов криоскопическая температура близка к 1 °С. Данная температура зависит от концентрации раствора, свойств растворителя и степени диссоциации растворенных веществ, поэтому чем больше в тканевых соках пищевых продуктов растворенных веществ, тем ниже точка их замерзания. В результате получено, что начальная криоскопическая температура в ягодах, обезвоженных более насыщенным раствором (70°Brix) ниже чем у ягод, обезвоженных 60°Brix раствором сахарозы из-за содержания в них меньшего количества влаги и значительно ниже контрольных образцов, что способствует меньшему изменению структуры и минимальному травмирующему действию кристаллами льда на клетки и ткани.

Выбор оптимальной температуры замерзания основываться на том факте, что минимальная температура плавления кристаллизованной воды (данный показатель получается экспериментальным методом) значительно выше максимальной ограничивающей температуры. Это связано с переохлаждением при замораживании среднесрочных эвтектических смесей, что задерживает последующую кристаллизацию [26–28]. Поэтому растительное сырье следует охлаждать до более низких температур. Индекс экстремальной температуры переохлаждения определяется свойствами охлаждаемого объекта и характеристиками веществ, находящихся в одной и той же среде.

Анализ представленных результатов показывает, что клеточная и тканевая вода под влиянием процессов охлаждения и замораживания кристаллизуется по-разному из-за различных состояний: одна часть воды остается свободной, а другая строго фиксируется физико-химическими связями с поверхностью реактивно-ответственных макромолекулярных групп. Гидрофильные биополимеры способны удерживать определенное количество свободной и стесненной воды, которая не замерзает при достаточно низких температурах, внутри клетки и в ее ближайшем окружении [26, 27].

На основании температуры начала кристаллизации воды, была выявлена активность воды и количество вымороженной воды в исследуемых ягодах при заданной концентрации раствора сахарозы. Полученные результаты указывают (рисунок 2), что количество кристаллизованной воды в ягодах, обезвоженных 60°Brix раствором сахарозы составило от 2,3–10,1% в 70°Brix растворе сахарозы от 7,5–40,4% в соответствии с контрольными образцами.

Рисунок 2. Количество вымороженной влаги в ягодах

Figure 2. The amount of frozen moisture in the berries

Уменьшение активности воды в ягодах, обезвоженных 70°Brix раствором составило от 0,8–2,8%, а обезвоженные 60°Brix раствором сахарозы от 0,3–1,4%, в соответствии с контрольными образцами (рисунок 3). В результате полученные данные свидетельствуют, что за счет уменьшения активности воды в ягодах увеличится срок годности готового продукта и ограничит доступ для роста микроорганизмов в их среду.

Рисунок 3. Влияние осмотической обработки ягод на активность воды

Figure 3. Effect of osmotic processing of berries on the activity of the water

Следовательно, обезвоживание ягод более насыщенным раствором сахарозы перед замораживанием позволит получить продукцию лучшего качества и более высокой сохраняемости, чем при замораживании ягод, обезвоженных раствором меньшей концентрации, и существенно качественнее необработанной продукции. А также предварительная осмотическая обработка позволит снизить структурные изменения продукта и улучшить потребительские свойства ягод и после размораживания.

Кроме того, применение 70°Brix концентрации раствора сахарозы приводит к меньшему образованию числа кристаллов льда и повреждению клеток и ткани при замораживании.

Заключение

В результате проведенной работы выявлены основные закономерности процессов осмотического обезвоживания и последующего замораживания, выполненные эксперименты