Сорбционная способность сублимированного плодово-ягодного сырья

Financing : the research was carried out with the financial support of the Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy under the Strategic Academic Leadership Program "Priority 2030".

Введение. Биохимические и микробиологические процессы влияют на безопасность и качество плодовой продукции во время ее хранения, поэтому для продления сроков годности прибегают к различным методам консервирования. Вода является доминирующим компонентом фруктов и овощей, и ее удаление замедляет и предотвращает опасные микробиологические и физико-химические реакции, что позволяет увеличить сроки хранения [1]. Удаление влаги реализуется различными методами, однако для наибольшей степени сохранности биоактивных свойств компонентов, ароматики, цвета и формы плодов, фруктов и ягод используется сублимационная сушка. При таком методе дегидратации предварительно замороженный продукт лиофилизируется в специальных сушильных камерах под низким давлением [2]. Сублимированные фрукты и ягоды сохраняют в себе практически все полезные вещества и используются в качестве дополнительных минорных ингредиентов питания для профилактики ряда заболеваний, в технологии кондитерского производства и других отраслях. В то же время известно, что плодово-ягодное сырье содержит ряд известных антиоксидантных веществ, однако содержание большинства этих ингредиентов слишком низкое, чтобы обеспечить эффект защитного действия [3]. Использование лиофилизации позволяет повысить концентрацию активных веществ в 9–10 раз путем повышения общего содержания сухих веществ [4]. До настоящего времени практически не проводились количественные исследования эффективности регидратации в зависимости от гигроскопичности, или сорбционной способности, с установлением влияния вида связи влаги с материалом. Актуальной задачей становится выбор параметров восстановления лиофилизированных продуктов и сырья. Чтобы оценить совершенство операций сушки и последующую способность сырья к поглощению влаги, необходимо знать сорбционные способности высушенного объекта. В связи с этим возникает необходимость определения показателя степени регидратации, который является основным параметром восстанавливаемости продукта [5].

Традиционно используемые для сушки плодово-ягодного сырья конвективные и терморадиационные способы значительно уступают по степени и характеристикам восстанавливаемости высушенного сырья в сравнении с сублимационными. Среди потребителей сублимированные фрукты и ягоды в форме снеков, чипсов и других изделий являются лидером среди продукции, готовой к употреблению. Связано это с тем, что лиофилизированный материал обладает наиболее высокими регидратационными свойствами, что дает преимущества при необходимости использования в технологической цепочке продуктов, по своим свойствам близких к нативным [6].

Для изучения способности к восстановлению сырья после сушки важным параметром становится изучение сорбирующей способности и определение видов влаги, поглощаемых в различных периодах регидратации. Установлено, что воздействие высоких температур на продукт приводит к ухудшению его характеристик. Одной из основных причин такой потери качества являются структурные изменения, вызванные усадкой продукта во время сушки [5]. В этом случае механизм восстановления продукта происходит в основном за счет сорбции свободной влаги, закономерности процесса и режимы при этом определяются эмпирическим путем [7]. Отличием сублимационного способа сушки является сохранность формы и структуры продукта, которая практически не меняется в сравнении с нативным продуктом. Также преимуществом этого способа становится увеличение после восстановления сырья химического, витаминного, минерального состава сырья на 1-10 % по сравнению с конвекционным [8].

Ранее проведены исследования по изменению текстурных свойств клубники и манго при сублимационной сушке, получено, что высушенные образцы представляли взаимосвязанную структуру с открытыми порами, это позволяло лиофилизированному материалу демонстрировать лучший внешний вид и органолептические характеристики [13]. В работе по изучению параметров регидратационной способности ягодного сырья установлено, что удаление влаги вымораживанием можно представить как операцию замены связанной влаги в капиллярах исходного сырья воздухом, без какого-либо процесса усадки, что приводит к получению высушенного материала с высокой пористостью. Также выявлено, что твердое состояние воды во время сублимационной сушки защищает первичную структуру растительного сырья и сводит к минимуму изменения формы продукта с минимальной усадкой [14].

В связи с этим исследование сорбционных свойств лиофилизированных материалов и установление параметров восстановления являются актуальными, направлены на обеспечение сохранности активных компонентов сублимированных продуктов.

Цель исследования - изучение процессов регидратации сублимированного плодовоягодного сырья при изменении сорбционной способности сырья в отношении свободной и связанной влаги.

Объекты и методы. В качестве объектов исследования изучены популярные на рынке плодово-ягодные сырьевые продукты: авокадо (Persea americana), клубника садовая (Fragaria ananassa Duch. сорт Пегас) и абрикос (Prunus armeniaca, сорт Водолей) (рис. 1). Свежее сырье приобреталось одной партией на стадии товарной зрелости у сельхозпроизводителей, вручную сортировалось для образцов одного размера и без повреждений. После тщательной промывки из сырья удалялись сердцевина и косточки, съедобная часть равномерно нарезалась дольками толщиной 10 мм. Далее образец замораживался в криокамере при температуре – 70 °С в течение 8 ч. Сушка производилась в лиофильной сушилке Vikumer BFD-10 (Пекин, Китай). Сырье загружалось на три полки площадью 0,94 м2, с расстоянием между полками 120 мм (рис. 2). Обогрев полок и сырья на них производился через пластины типа «сэндвич», которые обеспечивали циркуляцию хладоаген- та, отводимого от первой ступени компрессора, для обогрева полок. Сушка производилась поэтапно: лиофилизация образцов до температуры –45 °С, при давлении в рабочей камере 200 Па, нагреве контактной поверхности полок до 20 °С; далее в течение 3 ч давление в рабочей камере понижалось до 100 Па при тех же параметрах; на завершающем этапе температура поверхности полок повышалась до 25 °С при поддержании давления в рабочей камере не выше 75 Па (абс.) продолжительностью 8 ч.

Рис. 1. Объекты исследования, высушенные методом сублимации Research objects dried by sublimation method

Рис. 2. Сублимационная сушилка и образцы клубники в процессе замораживания и укладки в камеру Freeze dryer and strawberry samples during freezing and placing in the chamber

Содержание влаги ( М св ) в исходных образцах определялось гравиметрически в трех повторностях путем конвекционной воздушной сушки до постоянного веса при (105 ± 1) °С при взвешивании на весах OHAUS ( model AX502 ). Масса сухих веществ в образцах высчитывалась по следующему соотношению:

м св = м суб - - суб ∙ )0 ^суб ,            (1)

где W суб – влажность высушенного образца, %; м_суб – масса высушенного образца, г.

Для проведения исследования процесса регидратации по 5 навесок клубники, авокадо и абрикоса взвешивались через определенный промежуток времени до максимально возможного их восстановления. Регидратация проводилась в течение 10 мин [15] в колбах с дистиллированной водой в условиях постоянства температуры при следующих значениях: 5 °С; 25; 45; 65 и 80 °С. После восстановления все образцы помещались в эксикатор и взвешивались.

Коэффициент эффективности регидратации ( RC, % ) рассчитывался из следующего соотношения [13]:

RC = м ^р -м ^суб ∙ 100 ,             (2)

м исх-мсуб где Мр – масса восстановленного образца, г; Мисх – масса свежего образца, г.

Для исследования гигроскопических свойств предварительно взвешенные образцы клубники, авокадо и абрикоса выдерживались в эксикаторе в условиях постоянства температуры при различных ее значениях в течение 2,5 ч. Далее определялась начальная влажность навесок каждого образца, а также их масса до и после эксперимента.

Для каждого образца вычислялась масса влаги М вл по формуле

М = н ∙ W ^суб ,                   (3)

вл                , где Мн – начальная масса высушенного образца, г.

Масса сухого остатка Мсо, г, определялась по формуле мс.о = Мн-Мвл .            (4)

Для каждого образца вычислялось количество свободной влаги И _св , %, по формуле

И св =100-^ с . о ∙ г ,          (5)

где М к – масса после регидратации образца, г.

В данном исследовании для количественной оценки сорбционной способности сублимированных образцов в отношении свободной и связанной влаги предложено ввести модифицированный коэффициент эффективности регидратации ( RC м , %). Обусловлено это тем, что количество связанной влаги в каждом образце различно, зависит от ряда параметров [14], поэтому для более объективной оценки эффективности регидратации необходимо учитывать сорбцию только свободной влаги. Таким показателем, учитывающим, в отличие от показателя (2), соотношение связанной и свободной влаги в каждый момент времени, является

RC м =

мр-мисх ∙

⁽100-VV исх ⁾ + W св 100

М исх

⁽100—УИ исх ⁾ + W св

Для удобства расчетов в соотношении (6) (100-Wисх) +W дробь исх св · Мисх принята за выражение F, и окончательное уравнение для нахождения модифицированного коэффициента эффективности регидратации RCм, %, будет иметь следующий вид:

RCм = м ^р -F  · 100 .

м исх              ^.

Эксперимент проводился в трех повторностях, для полученных измерений рассчитывались средние значения, после чего с использованием теста Дункана проводилась оценка значимости при уровне p < 0,05.

Результаты и их обсуждение. Данные, полученные по определению коэффициента эффективности регидратации для исследуемого сырья, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Температура, °С	RC абрикоса	RC авокадо	RC клубники
5	72,76±50	27,98±62	88,29±60
25	56,11±02	34,91±84	67,63±20
45	84,89±51	45,90±48	64,68±90
65	75,30±48	55,83±79	73,79±15
80	63,62±64	70,11±11	65,49±93

Значения показателя коэффициента эффективности регидратации

Values of the rehydration efficiency coefficient

Анализ полученных данных показал, что значение коэффициента эффективности регидратации для различных образцов значительно отличается в зависимости от температуры восстановления. Так, самое высокое значение коэффициента установлено для клубники – (88,29 ± 60) %, при температуре 5 °С. Нелинейный характер процесса регидратации, вероятно, связан с характером массообмена при различных температурах поглощаемой влаги, а также размерами пор, набуханием растительных клеток, физикохимическими характеристиками сырья. Так, в исследованиях свойств сублимированных кубиков яблок, клубники и манго получены данные, что температура стеклования и скорость восстановления в значительной степени зависят от содержания в высушенном сырье полисахаридов и растворимых моносахаридов [13].

Для сравнительного исследования сорбционной способности сублимированных образцов в зависимости от содержания свободной и связанной влаги при равновесных условиях проведено изучение взаимосвязи поглощаемой жидкости с объектом сорбции при нестабильной термодинамической обстановке. Данные по сорбции влаги с использованием коэффициента эффективности регидратации RC показывают зависимость от температуры и уровня максимального влагопоглощения всей массы влаги, часть из которой находится во взаимосвязи с сухим каркасом объекта восстановления, которая в силу достижения равновесного состояния с окружающей средой так или иначе будет продуктом сорбирована. Учитывая, что количество связанной влаги для каждого продукта индивидуально, интерес представляет, какое количество свободной влаги впитает исследуемое плодово-ягодное сырье при тех же условиях влаго-поглощения. Для более объективной оценки эффективности регидратации предлагается учитывать сорбцию только свободной влаги. Связанная влага находится внутри клеток и удерживается, как правило, химическими, адсорбционными, капиллярными и осмотическими силами [16, 17], и ее количество будет влиять на консистенцию и структурно-механические показатели продуктов, которые позволят поддерживать равновесное состояние системы «сублимированное сырье – окружающая вода». Очевидно, что связанная влага будет сорбирована продуктом для достижения термодинамического равновесного состояния, однако система «сублимированное сырье – окружающая вода» не является динамически стабильной, так как контактируемая жидкость непрерывно и разрушительно влияет на прочностные характеристики находящегося в ней обезвоженного материала, поэтому свободная влага в определенной доле беспрепятственно в него проникает. В связи с этим возникает необходимость количественного учета именно свободно сорбируемой влаги продуктом, так как его восстановление проводится при условии обязательного погружения в воду, вследствие чего продукт получит дополнительную порцию свободной влаги за счет постоянно меняющихся термодинамических условий проведения процесса регидратации. Что касается свободной влаги, сорбируемой продуктом, то она является средой для протекания множества реакций, в основном приводящих к порче продуктов, а образцы, которые обладают большим количеством свободной влаги, впоследствии будут испарять большее количество воды, из-за чего считаются лег-коувядаемыми и быстропортящимися, в связи с этим в ходе эксперимента по регидратации образцов использовалась расчетная формула для определения модифицированного коэффициента регидратации RCм (7). Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2

Температура, °C	RC М абрикоса	RC М авокадо	RC М клубники
5	66,61±38	20,24±51	86,15±00
25	41,37±00	24,60±70	58,48±29
45	79,59±94	37,17±85	55,64±09
65	65,98±05	48,79±21	67,32±74
80	52,71±67	66,42±80	56,03±14

Значения RC М для исследуемого плодово-ягодного сырья

Values RC М for the studied fruit and berry raw materials

В ходе проводимого эксперимента было получено, что расчетные показатели коэффициентов эффективности регидратации RC и его модифицированного аналога RC М имеют вполне объяснимые различия, так как предложенный нами вариант расчета эффективности процесса показывает, сколько свободной влаги может поглотить каждый образец. В итоге самый высокий коэффициент оказался для клубники – 86,15 % при температуре 5 °C, для абрикоса – (79,59 ± 94) % при 45 °C, а для авокадо – 66,42 ± 80) % при 80 °C.

Результаты исследования показывают, что сорбционная способность клубники достаточно высокая при значениях температур, свойственных параметрам хранения в холодильных камерах, поэтому при восстановлении данных образцов при таком температурном режиме максимально будут сохраняться витамины. В опытах по регидратации абрикоса установлено, что его способность к восстановлению находится в диапазоне температур от 5 до 65 °C, поэтому в зависимости от целей его дальнейшего использования, например в кондитерских изделиях или при приготовлении фруктовых пюре, регидратацию необходимо проводить либо в условиях холодильных камер, либо в термостатных установках. Анализ данных по восстановлению авокадо позволяет предположить, что высокое со- держание моно-, дисахаридов, фруктозы и растворимых пектинов ухудшает условия сорбции влаги во всем диапазоне температур. Аналогичные результаты получены в предыдущих исследованиях гигроскопических характеристик сублимированных кубиков фруктов и овощей [18], где показано, что добавление моносахаридов приводит к уменьшению размера пор лиофилизированного сырья.

Заключение. Опытным путем изучена способность к восстановлению лиофилизированного сырья с помощью количественной оценки сорбционной способности в зависимости от температуры процесса и видов влаги, поглощаемых в различных периодах регидратации.

Предложен оригинальный подход к определению сорбционной способности сырья, оцениваемый модифицированным коэффициентом эффективности регидратации.

Для популярных на рынке объектов сушки (авокадо ( Persēa americāna ), клубника садовая ( Fragaria ananassa Duch. сорт Пегас), абрикос ( Prunus armeniaca , сорт Водолей)) проведены опыты по их сублимационной дегидратации и определены условия и параметры восстановления. Полученные эмпирические данные и рекомендации могут быть использованы на предприятиях кондитерской промышленности и конечными потребителями сублимированного сырья.