Жаринов А.И., Митин В.В., Малков В.А., Балашов А.В. Изучение структурной устойчивости многокомпонентных систем

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 637

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

А. И. Жаринов, В. В. Митин, В. А. Малков, А. В. Балашов

Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния высокомолекулярных

ингредиентов на вязкость и кинетическую устойчивость многокомпонентных рассолов, используемых в

технологии мясопродуктов.

Многокомпонентные рассолы, широко используемые в современных технологиях

цельномышечных и реструктурированных мясопродуктов, являются сложными и структурно

неустойчивыми дисперсными системами, от физико-химических характеристик которых зависят как

качественные показатели, так и величина выхода готовой продукции [1].

В состав рецептурных технологических композиций входит до 8 – 14 ингредиентов; доля сухих

веществ в некоторых видах рассолов достигает 28 – 35%. При этом часть ингредиентов является

водорастворимой (хлорид натрия, нитрит натрия, пищевые кислоты и их соли, колоранты, усилители

вкуса и т. д.); вторая часть, представленная, как правило, высокомолекулярными веществами (белковые

препараты, крахмалы, каррагинаны, гуары, камеди и др.), составляет дисперсную фазу и обладает

ограниченной набухаемостью и растворимостью. Наличие данных свойств у высокомолекулярных

веществ приводит, с одной стороны, к повышению вязкости среды [2], с другой – к снижению

кинетической устойчивости получаемой дисперсной системы, что выражается в интенсивном ее

разделении и осаждении высокомолекулярных элементов рассолов по окончании процесса

перемешивания и диспергирования. В результате седиментации изменяется структура системы, которая

характеризуется степенью объемного распределения функциональных ингредиентов в приготовленном

рассоле, что приводит к негативным технологическим последствиям после его введения в мясное сырье.

Как известно [3], уровень седиментационной устойчивости суспензий, к которым относятся

многокомпонентные рассолы, описывается уравнением Стокса [4], позволяющим определить скорость

осаждения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде:

()

ag/

ρρ

=−

где

– характерный размер частиц дисперсной фазы;

()

ρρ

−

– разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды;

– вязкость дисперсионной среды.

Из уравнения следует, что скорость седиментации зависит, в основном, от плотности и

геометрии частиц фазы и вязкости дисперсионной среды. В полидисперсных системах, к которым

относятся рассолы, частицы различных высокомолекулярных веществ не только существенно

отличаются по геометрическим характеристикам, но и в ряде случаев могут взаимодействовать в виде

синергизма и конкурентных отношений, что сказывается на вязкости среды [5, 6]. Кроме того, вязкость и

плотность получаемой дисперсной системы изменяется в зависимости от вида и концентрации

растворимых и набухающих веществ, температуры и рН дисперсионной среды, поверхностного

натяжения на границе фаз и т. д.

Целью данной работы являлось:

- экспериментальное определение уровня седиментационной устойчивости индивидуальных

высокомолекулярных соединений (ВМС) как в модельных системах (вода : ВМС), так и в стандартных

рассолах, используемых для инъецирования мясопродуктов;

- оценка влияния температуры и состава среды на седиментационную устойчивость ВМС;

- изучение влияния последовательности внесения высокомолекулярных ингредиентов на

основные физические характеристики рассолов.

В качестве объектов исследования использовали различного типа рассолы, приготовленные как

в соответствии с технологическим регламентом, так и по модельным рецептурам.

Базовый стандартный рассол содержал хлорид натрия (5,0%), сахар (1,4%), нитрит натрия

(0,02%), эриторбат натрия (0,5%) и триполифосфат натрия (0,5%), растворенные в воде.

Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Продовольствие». 2006. №2

В рассолы модельного состава дополнительно вводили высокомолекулярные ингредиенты:

соевые изолированные белки «СУПРО 595», препараты каррагинанов «Лемикс-70» и картофельный

крахмал.

Концентрация высокомолекулярных компонентов рассолов была выбрана на основании анализа

имеющихся научно-практических данных и составляла, соответственно: для соевых изолятов – 3,0%, для

каррагинанов – 1,5%, для крахмалов – 6%.

Физико-химические характеристики получаемых дисперсных систем оценивали путем

определения величины рН [7] среды на иономере Ad 140pH (Германия), плотности стеклянным

ареометром, вязкости [8] на вискозиметре Гепплера (с падающим шариком), степени кинетической

устойчивости по времени седиментации [9].

На первом этапе работы на моделях монодисперсных систем методом седиментационного

анализа были получены графики дифференциальных кривых распределения частиц ВМС, что позволило

экспериментально определить наиболее вероятные размеры их частиц: для соевых белковых изолятов

величина

составляла 9ч14 мкм, для каррагинанов – 9,5ч13 мкм, для крахмалов 10ч17 мкм.

В результате изучения влияния вида и состава дисперсионной среды (вода, рассол, содержащий

водорастворимые ингредиенты) и температуры (0ч4°С и 18ч20°С) на степень осаждения ВМС в течение

выдержки рассолов после окончания процесса перемешивания установлено (таблица 1), что соевый

белковый изолят наиболее устойчив к процессу осаждения среди трех сравниваемых объектов, причем

на степень его седиментации состав и температура среды принципиального влияния не оказывают.

У препаратов каррагинанов степень осаждения частиц значительно выше, в связи с чем период

полного осаждения Лемикса-70 из системы в 7ч16 раз короче, чем у соевых изолятов. Показано (рис. 1),

что понижение температуры среды до 0ч4°С и наличие водорастворимых ингредиентов в среде

набухания повышают устойчивость каррагинанов.

Рисунок 1 – Влияние состава среды и температуры на интенсивность осаждения препарата

каррагинана

Картофельный крахмал более устойчив к осаждению на первом этапе седиментации особенно

при низких значениях температуры среды (таблица 1), однако в результате последующего

лавинообразного осаждения (рис. 2) полное выделение его из системы происходит в воде через 4,5 мин, в

стандартных рассолах – через 12,5 мин.

Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Продовольствие». 2006. №2

Таблица 1 – Влияние вида и температуры среды на степень осаждения ВМС

Тип ВМС

Параметры опыта

Вид

дисперсионной

среды

Температура

среды, °С

Степень

осаждения

частиц,(%)

через 5 минут

после

перемешивания

Период

полного

осаждения

частиц, мин

СУПРО-595

Вода

Стандартный

рассол

0 – 4

18 – 20

1,5

0,9

1,5

116,5

108,5

106,5

Лемикс-70

Вода

Стандартный

рассол

0 – 4

18 – 20

9,0

10,6

9,4

16,5

6,5

14,6

Картофельный крахмал

Вода

Стандартный

рассол

0 – 4

18 – 20

3,5

8,1

7,1

10,5

4,5

12,5

Рисунок 2 – Влияние состава среды и температуры на интенсивность осаждения картофельного

крахмала

Обсуждение экспериментальных данных позволяет сделать заключение о том, что при

одинаковых технологических условиях (температура и состав дисперсионной среды)

высокомолекулярные ингредиенты обладают различной устойчивостью: наиболее устойчивы к

седиментации соевые белковые препараты; каррагинаны и крахмалы характеризуются значительно

меньшим периодом полного осаждения частиц.

Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Продовольствие». 2006. №2

Понижение температуры среды до 0ч4°С, сопровождающееся, очевидно, повышением ее

вязкости, замедляет процесс осаждения ВМС. Наличие в составе среды водорастворимых ингредиентов

(стандартные рассолы) оказывает различное влияние на свойства ВМС: у каррагинанов и крахмалов

почти в 2,5 раза увеличивается продолжительность периода полного осаждения частиц; соевые изоляты

сохраняли свойства многокомпонентной системы стабильными.

В соответствии с задачами исследования было также изучено изменение плотности, вязкости,

рН и седиментационной устойчивости рассолов в зависимости от вида и последовательности внесения

высокомолекулярных ингредиентов рецептуры в базовую часть рассола. Данные, приведенные в таблице

2, свидетельствуют о том, что несмотря на введение в рассолы различных растворимых и набухающих

ингредиентов, отличающихся по исходным значениям рН (таблица 3), итоговый уровень кислотности

среды исследуемых систем находится в диапазоне 6,5 ч 6,9, что, на наш взгляд, обусловлено как

относительно низкими концентрациями используемых компонентов, так и высокой буферной емкостью

(способность стабилизировать величину рН) у применяемых ВМС.

Изменение величины плотности главным образом зависит от концентрации ВМС в составе

рассола. ВМС оказывают основное влияние и на вязкость, причем изменение вязкости происходит

специфично в зависимости от физических свойств каждого ингредиента. Решающее влияние на

увеличение вязкости рассолов оказывают препараты каррагинана и в меньшей степени соевые белковые

изоляты. Введение нативного картофельного крахмала приводит к некоторому понижению вязкости,

поэтому использование его в комплексе с другими высокомолекулярными препаратами обеспечивает

весьма существенное, и даже аномальное снижение вязкости получаемой системы. По-видимому,

данный эффект обусловлен наличием конкурентных отношений у крахмала и других гидроколлоидов

при их гидратации и набухании.

Таблица 2 – Изменение физических параметров многокомпонентного рассола от

последовательности внесения ВМС

Объект

Состав

системы

Характеристики рассола

Степень

осаждения,%

частиц ВМС

черз 5 мин.

после окончания

перемешивания

Период

полного

осаждения

частиц ВМС

рН Плотность,

кг/мі

Вязкость,

мПа·с

При

температуре

При

температуре

0ч40ч18 0ч40ч18

Базовая

часть

рассола

Вода, сахароза,

триполифосфат

Раствор 6,5 1,01 1,31 - - - -

Рассол -I

Базовая часть

+СУПРО

5954+хлорид

натрия+

эриторбат

натрия

Суспензия- I 6,5 1,051 2,78 1,2 1,5 117 106

Рассол -II

Рассол-I

+Лемикс 70

Суспензия- II 6,7 1,053 21,60 2,0 2,4 146 136

Рассол -III

Рассол –II+

крахмал

Суспензия- III 6,9 1,069 17,31 1,5 2,5 107 96

Рассол -IV

Рассол–I+

крахмал

Суспензия- IV 6,8 1,085 5,28 2,3 3,0 47 42

Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Продовольствие». 2006. №2

Обнаруженное явление имеет весьма существенное научно-практическое значение, так как

позволяет, изменяя последовательность внесения высокомолекулярных веществ (и, в первую очередь,

крахмалов) в рассолы при их приготовлении, направленно регулировать величину их вязкости.

Как и следовало ожидать, характер изменения сидементационной устойчивости

многокомпонентных рассолов в основном зависит от геометрических параметров частиц и вида ВМС,

вязкости дисперсионной среды и температуры: увеличение вязкости и понижение температуры приводит

к возрастанию продолжительности полного осаждения частиц рассольных суспензий. Однако, несмотря

на то, что повышенные значения вязкости обеспечивают удлинение срока «жизни» приготовленного

рассола с технико-технологических позиций использование данного фактора является проблемным, так

как приводит к необходимости применения более высоких давлений инъецирования, что не всегда

возможно в условиях производства.

Таблица 3 – Значения рН ингредиентов многокомпонентных рассолов

Ингредиент Вода Триполи-

фосфат

натрия

Саха-

роза

Эриторбат

натрия

Хлорид

натрия СУПРО

595

Ле-

микс-

Крах-

мал

Значение рН 6,1 9,4 6,1 6,0 6,2 6,8 7,8 8,2

Таким образом, анализ результатов исследования позволяет прийти к следующим выводам:

- по степени седиментационной устойчивости гидроколлоиды, применяемые при приготовлении

многокомпонентных рассолов, можно ранжировать следующим образом: соевые белковые изоляты >

каррагинаны > картофельный крахмал;

- преобладающее влияние на величину вязкости рассольных дисперсных систем оказывают

препараты каррагинана;

- наличие конкурентных отношений у крахмала и других гидроколлоидов обеспечивает

существенное снижение вязкости рассолов при их комплексном использовании;

- для обеспечения достаточно высокой кинетической устойчивости ВМС в составе рассолов при

среднем уровне их вязкости следует предусматривать при формировании рецептурной композиции

внесение как соевых изолятов, так и каррагинанов и крахмалов.

Литература

1. Жаринов А. И., Кузнецова О. В., Черкашина А. А. Основы современных технологий

переработки мяса. Часть 2. Технология цельномышечных и реструктурированных

мясопродуктов. – М.: ИТАР-ТАСС, 1997. 157 с.

2. Фролов Ю. Г. Коллоидная химия. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.,

1998. 320 с.

3. Рогов И. А., Горбатов А. В., Свинцов В. Я. – Дисперсные системы мясных и

молочных продуктов. – М.: Агропромиздат, 1990. 268 с.

4. Ваюцкий С. С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. 282 с.

5. Жаринов А. И., Митин В. В., Малков В. А. Влияние пищевых гидроколлоидов на

вязкость многокомпонентных рассолов // Мясная индустрия. 2003. №11. С. 40.

6. Эльдорадов В. К., Сабитова Д. Д., Жаринов А. И. Основные факторы, влияющие на

степень синерезиса пищевых гидроколлоидов // Материалы IV Международной

научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и

биологическая безопасность населения». – М.: МГУПБ, 2005. С. 144.

7. Журавская Н. К., Алехина Л. Т., Отряшенкова Л. М. Исследование и контроль

качества мяса и мясопродуктов. – М.: Агропромиздат, 1985. 296 с.

8. Антипов В. Н., Гаврилина Л. П. Коллоидная химия: Методические указания к

лабораторным работам. Ч. 1. – М.: МГУПБ, 1990. С. 19.

9. Антипов В. Н., Гаврилина Л. П. Коллоидная химия: Методические указания к

лабораторным работам. Ч. 2. – М.: МГУПБ, 1990. С. 22.

Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия «Продовольствие». 2006. №2