Термодинамические свойства переноса влаги в процессе производства модифицированного крахмала

DOI:

Модифицированный крахмал, получаемый путём физической, химической или ферментативной обработки, широко применяется в пищевой промышленности благодаря улучшенным функциональным свойствам, таким как стабильность, влагоудерживающая способность и терморезистентность. Однако эффективность его использования напрямую зависит от термодинамических характеристик переноса влаги, которые определяют кинетику сорбции, десорбции и диффузии воды в процессе производства и хранения [1].

Экспериментальные исследования показывают, что скорость влагопереноса в системах с модифицированным крахмалом варьируется в зависимости от типа модификации. Например, крахмал E 1442 (с комбинацией фосфатных и гидроксипропильных групп) демонстрирует минимальный коэффициент диффузии (1,097·10⁻⁸ м²/с), что на 20–25% ниже, чем у аналогов [2]. Это связано с изменением гидрофильности макромолекул и формированием устойчивых водородных связей, снижающих подвижность воды.

Температурные условия также оказывают критическое влияние: повышение температуры с 20°C до 50°C приводит к снижению влагоёмкости крахмала на 15–30% из-за деструкции аморфных областей и увеличения кристалличности [3]. При этом критическая влажность (7–9%) определяет переходные процессы, такие как гелеобразование и ретроградация, которые влияют на структурную целостность продукта.

Изучение этих закономерностей позволяет оптимизировать технологические режимы сушки, экструзии и хранения, минимизируя риски плесневения и потери органолептических свойств [4-5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследовании использовали модифицированные крахмалы (Е 1412, Е 1422, Е 1442), полученные методом экструзионной обработки при температурах 60–200°C и влажности 15–45%, а также нативный кукурузный крахмал и его механически обработанные формы (время обработки: 15–60 мин). Для сравнения анализировали рисовый крахмал и пшеничный глютен, выделенный из зерна.

Экспериментальные методы

• •    Тензиметрический анализ – измерение массовой доли влаги и активности воды в крахмале и глютене при температурах 20– 80°C. На основе кинетики влагопереноса рассчитаны   коэффициенты   диффузии

  (например, для E 1442: 1,097·10⁻⁸ м²/с)1.

• •    Дифференциальная          сканирующая

микрокалориметрия (ДСК) – оценка энтальпии плавления кристаллических областей крахмала в диапазоне 20–120°C (скорость нагрева 2°C/мин).

• •    Сорбционные изотермы – определение удельной изотермической влагоемкости при относительной влажности 0,20–0,85 с выделением критических точек (7–9% влажности).

• •    Реологические тесты – анализ клейстеризации крахмальных систем с помощью вискографа Брабендера.

• •    Структурные исследования – электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ (РСА) для оценки морфологии гранул после термообработки.

Условия экспериментов

• •    Температурные режимы: 20°C, 50°C, 80°C

(для анализа влияния на влагоемкость).

• •   Длительность хранения:  до  3,5 месяцев

(изучение динамики влагопереноса).

• •   Контроль влажности: от 7% (критический

минимум) до 9% (предел гелеобразования).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основе полученных в ходе исследования экспериментальных данных были рассчитаны все термодинамические свойства влагопереноса крахмала    и    удельная    изотермическая влагоемкость глютена. Опыты с глютеном при высоких     температурах     представляют определенные трудности.

Удельная    изотермическая    влагоемкость наблюдается с учетом влияния влажности на удельную    изотермическую    влагоемкость крахмала при трех различных температурах. Они представлены на рисунке 1. Графики разделены на три участка, благодаря чему определены их минимальные и максимальные значения.

Результаты,    полученные    при    50°С, технологически более эффективны, чем при 20°С, что свидетельствует об уменьшении содержания воды в крахмале в этом температурном диапазоне. Первая часть графика смещается вправо относительно более низких температур. Это связано с дополнительными изменениями физико-химических свойств крахмала при 80°С. Однако в этом случае крайние точки графика также подходят для определения критических областей влажности на изотермах сорбции. Сравнение графиков на рисунке 1 показывает зависимости удельной изотермы и влагоемкости от влажности при 20 °С.

Рисунок 1. Влияние влаги на изотермические свойства рисового крахмала при разных температурах.

Figure 1. Effect of moisture on isothermal properties of rice starch at different temperatures.

Как видно из рисунка 1, изотерма крахмала также изменяется с температурой. При этом содержание свободной воды в крахмале увеличивает его способность поглощать больше влаги и проявляет различную влажность при разных температурах. На рисунке 1 представлена изотерма поглощения воды при 20°C, 50°C, 80°C, на которой способность поглощать влагу уменьшается с ростом температуры [6].

Таким образом, физико-химические свойства крахмала определяются влиянием таких факторов, как его биологическая природа, тип. То есть влияние видового разнообразия, почвенноклиматических условий и т. д. практически не приводит к указанным выше физико-химическим изменениям.

Однако под воздействием температуры 50°C в составе рисового крахмала произошли изменения. Эти изменения показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость изотермической емкости крахмала от влажности.

Figure 2. Dependence of isothermal capacity of starch on humidity.

Как и все крахмалы зерновых, бобовых, корнеплодов и ягод, рисовый крахмал также проявляет свойство быстро впитывать воду [7]. График поглощения влаги из влажной воздушной среды рисовым крахмалом на рисунке 2 показывает способность крахмала максимально впитывать влагу за счет повышения влажности. Из экспериментов видно, что чем выше влажность, тем больше влияние крахмала на гелеобразование и изменение состояния формы продукта. Результаты экспериментов показали, что при придании рисовому крахмалу влажности 7% и 9% эта влажность является предельной. Высокая влажность отрицательно влияет на качество продукта. Построенная по данным экспериментов 9%-ная кривая практически по всей длине склона направлена вниз, а минимум смещен влево. Это означает, что изменение исходных свойств крахмала при высоких температурах выявляет индивидуальные свойства образца [8].

Ряд интересных результатов и сведений можно получить из анализа изменения удельной изотермической влагоемкости крахмала в зависимости от насыщенности окружающей атмосферы влагой.

В данном случае экспериментальные точки расположены таким образом, что в диапазоне 20-80°С влияние температуры исчезает, зависимость равномерная. По-видимому, взаимодействие крахмала с водой в этой гигроскопической области определяется, прежде всего, распределением активных центров наномолекул крахмала по степени активности, которая не зависит от температуры, а только от природы и конформации этих наномолекул [9].

Значение не меняется в диапазоне относительного давления водяного пара от 0,20 до 0,85. Несколько интересных результатов и данных можно получить из анализа изменения удельной изотермической влагоемкости крахмала в зависимости от насыщенности окружающей атмосферы влагой. Теоретический анализ показывает, что данный тип графика отражает реальное изменение экспериментального потенциала влагопереноса под воздействием температуры. Это обусловлено состоянием поглощенной воды, которое определяется энергией связи.

На рисунке 3 представлены значения удельной изотермической влагоемкости вязкости клейковины в зависимости от содержания влаги. Видно, что графики для сильной и слабой клейковины существенно различаются. Так, график сильной клейковины имеет большую протяженность по оси влажности, что свидетельствует о гидрофильности (хорошей способности поглощать воду) данного образца по сравнению со слабой клейковиной. Кроме того, можно заметить, что в области влажности, соответствующей минимальной и максимальной вязкости слабой клейковины, часть кривой принадлежит слабой клейковине. Слабая клейковина показывает способность поглощать воду на минимальном уровне. Критическая точка изотермы поглощения может быть расположена в вытянутом положении вдоль оси максимальной влажности. Зависимость химического состояния клейковины от содержания влаги обусловлена структурой образцов сильной и слабой клейковины. Это видно из данных, представленных на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние влажности на изотермическую емкость клейковины при 20°C.

Figure 3. Effect of humidity on the isothermal capacity of gluten at 20°C.

Таким образом, мы обнаруживаем, что структурные особенности комплекса клейковины существенно влияют на процесс его взаимодействия с водой. В нашем исследовании разница в содержании белка в образцах клейковины оказала определенное влияние на проведенные анализы [10].

На рисунке 3 показана несовместимость графиков сильной и слабой клейковины. Интересно, что области от 0,5 до 0,85 см. слабее сильных клейковин. Это может быть связано с более высокой степенью конформационных превращений. В диапазоне 0,4-0,9 сильные клейковинные белки сравниваются со слабыми клейковинными белками, предполагая постоянное относительное давление водяного пара в атмосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого исследования были всесторонне изучены термодинамические свойства переноса влаги в процессе производства модифицированного крахмала и глютена, полученных из зерновых культур. Экспериментальные данные показали, что ключевыми факторами, влияющими на влагопоглощающую способность и изотермическую влагоёмкость крахмала, являются температура, влажность окружающей среды и структурные особенности самого биополимера. Установлено, что с повышением температуры способность крахмала поглощать влагу снижается, а критические значения влажности определяют пределы гелеобразования и изменения физико-химических свойств продукта.

Анализ изотерм сорбции и диффузии воды позволил выявить индивидуальные особенности различных видов крахмала и глютена, а также их зависимость от природы и конформации макромолекул. Существенное влияние на влагоперенос оказывают различия в белковом составе сильной и слабой клейковины, что отражается на их гидрофильности и способности к структурным преобразованиям при изменении влажности.

Полученные результаты имеют важное прикладное значение для оптимизации технологических режимов производства и хранения модифицированного крахмала, а также для прогнозирования качества конечного продукта в пищевой промышленности. Данные исследования могут быть использованы для разработки новых подходов к созданию продуктов с заданными функциональными свойствами и повышенной стабильностью при различных условиях хранения и обработки.