Модельные смеси сахаров с белками или полисахаридами

Реальные пищевые системы часто представляют собой смеси высокомолекулярных веществ — белков, полисахаридов — с низкомолекулярными — моносахаридами, аминокислотами и т. п. Поэтому представляет интерес исследование модельных систем, содержащих наряду с полимером моносахарид.

Изучалось влияние активности воды на межмолекулярные взаимодействия высокометоксилированного пектина в различных сахарных растворах[1].

Чтобы исключить фоновую зависимость вязкости сахарного раствора от его концентрации, исследовали специфическую вязкость:

где г] — вязкость раствора пектина с сахаром; ту. — вязкость раствора сахара без пектина.

Специфическая вязкость растет с уменьшением активности воды раствора, обусловленным повышением концентрации сахара.

Различное влияние разных сахаров (рибоза, манноза, глюкоза, сахароза, мальтоза) на межмолекулярное взаимодействие количе-

ственно оценивалось величиной ——, которая показывает хорошую Мы

корреляцию с физическими величинами, отражающими степень упорядоченности воды вблизи сахарных молекул. Это число экваториальных ОН-групп молекулы сахара, а также коэффициент спин-решеточной и спин-спиновой релаксации в протонном ядерно-маг-нитном резонансе.

Привлекая результаты моделирования адсорбции на парциально заряженных поверхностях, эти данные можно объяснить следующим образом.

Имеет место конкуренция между водородными межмолекулярными связями пектина и гидратацией соответствующих групп молекул. Снижение активности воды, происходящее при повышении концентрации сахара, уменьшает число молекул воды, способных гидратировать пектин, поэтому повышается вероятность образования водородных связей между пектиновыми молекулами. Соответственно, повышается вязкость раствора.

Как показывают исследования гидратации оксидов, при образовании второго адсорбционного слоя над парциально заряженными поверхностями происходит перестройка молекулярной структуры приповерхностных слоев воды, сопровождаемая ростом числа относительно устойчивых межмолекулярных водородных связей во втором слое, т. е. упорядочением структуры воды. Поэтому присутствие сахаров с большим количеством экваториальных ОН-групп, образующих водородные связи с водой, означает, содной стороны, упорядочение воды вблизи поверхности молекулы полисахарида. С другой стороны, оно ведет к повышению специфической вязкости без существенного изменения активности воды (энергия связи во втором слое увеличивается незначительно по сравнению с пер-вым), поэтому растет величина .

Возможно также объяснение экспериментальных фактов различным действием разных сахаров на гидрофобные взаимодействия между пектиновыми молекулами, осуществляемые через упорядочение молекул воды в сольватационной оболочке пектина, но оно менее вероятно, чем первое, ввиду гидрофильного характера молекулы пектина.

Исследованы поглощение воды казеинатом натрия и пуллула-ном, а также термомеханические свойства этих веществ в зависимости от содержания воды. Пуллулан — это водорастворимый полисахарид, продуцируемый особой разновидностью дрожжей. В качестве пластификатора добавлялся сорбитол. Были измерены изотермы сорбции этих систем.

Изотермы сорбции пуллулана и казеината натрия (кривые 1, 2 на рис. 2.1) не обнаруживают существенного расхождения, что обеспечивается наличием катиона Иа+ в составе казеината натрия. Это придает ему более гидрофильные свойства по сравнению с другими белками, близкие к свойствам гидрофильного полисахарида пуллулана.

Поскольку к макромолекуле пуллулана применимы выводы физического моделирования адсорбции на парциально заряженных поверхностях, пуллулан, по-видимому, оказывает более сильное влияние на повышение энергии связи во втором адсорбционном слое, чем сахар, следовательно, при больших влажностях активность воды этого материала увеличивается сильнее, чем у его смеси с сорбитолом (активность воды равна равновесной влажности воздуха над продуктом). При малых влажностях смеси сорбитол отнимает воду у пуллулана, который вследствие этого образует значительное число межмолекулярных связей, его поверхность, доступная для адсорбции воды, уменьшается, преобладающую роль в связывании воды играет сахар, поэтому активность воды смеси больше в сравнении с чистым пуллуланом.

Изотермы сорбции воды в пуллулане (1), казеинате натрия (2), смеси сорбитола и пуллулана (3)

Рис. 2.1. Изотермы сорбции воды в пуллулане (1), казеинате натрия (2), смеси сорбитола и пуллулана (3)

Изотермы сорбции изученных образцов при активности воды меньше 0,9 хорошо описываются моделью Гуггенгейма — Андерсона — де Бура (GAB)

где тт число монослоев воды в полимолекулярных слоях; С, К — константы.

Модель GAB является расширением модели полимолекулярной адсорбции БЭТ для случая повышенных значений активности воды. Однако при значениях активности воды выше 0,9 наблюдаются значительные отклонения экспериментальных значений влагосодер-жания от рассчитанных в соответствии с моделью GAB, что объясняется1 влиянием осмотических и капиллярных эффектов.

Так как активность воды зависит от концентрации растворенных веществ в жидкообразных системах, то если эти вещества снижают поверхностное натяжение, можно найти взаимосвязь активности воды и поверхностного натяжения на основе термодинамических соотношений.

Kristo E., Bilidderis C. G. Water sorbtion and thermo-mechanical properties of water-sorbitol-plasticized composite biopolymer films: Caseinatepullulan bilayers and blends // Food Hydrocolloids. 2006. № 20. P. 1057—1071.

При высоких степенях гидратации на свойства пищевых продуктов оказывают влияние осмотические и капиллярные эффекты.

Давление паров воды над разбавленными растворами выражается законом Рауля:

где р1 давление пара растворителя; р0 — давление пара чистого растворителя; — его молярная концентрация (в мольных долях).

С другой стороны, в соответствии с законом Вант-Гоффа осмотическое давление растворов неэлектролитов выражается формулой а для растворов электролитов

где П — осмотическое давление, Па; С — молекулярная концентрация растворенного вещества, моль/л; Я — универсальная газовая постоянная; Т — температура растворов; I — изотонический коэффициент, определяющий степень диссоциации веществ в растворе.

Так как величина активности воды равна отношению р1 к р0, из выражений (2.6)—(2.8) вытекает, что активность воды в разбавленных растворах линейно зависит от осмотического давления раствора. Наклон этой зависимости определяется только молярной концентрацией растворенного вещества и температурой, а для растворов электролитов — еще и изотоническим коэффициентом. Однако этот вывод справедлив только тогда, когда связывание воды обусловлено только осмотическими явлениями. Если в растворе присутствуют высокомолекулярные вещества — белки, полисахариды, осмотическое давление которых мало, то активность воды будет определяться еще и эффектами адсорбции.

ТемаЗ

  • [1] Sato Y. et al. Effect of water activity and solvet-ordering on intermolecular interaction of high-methoxyl pectins in varions sugar solutions // Food Hydrocolloids. 2004. № 18. P. 527—534.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >