Набухание в технологии пищевых производств

Для многих технологических процессов в пищевой промышленности набухание имеет очень большое значение.

Для хлебопекарного производства и производства мучных кондитерских изделий основным сырьем является мука. Главные составные части муки — белок и крахмал — по своему строению являются типичными высокомолекулярными веществами. При смешивании муки с водой частицы ее набухают и слипаются друг с другом в относительно однородную массу, образуя тесто. Однако набухание основных компонентов муки—белка и крахмала—по своему характеру различно. Процесс набухания нерастворимого в воде белка муки, образующего клейковину, протекает в две стадии. На первой стадии идет гидратация макромолекул белка, на второй стадии происходит осмотическое связывание воды. Белки муки при набухании поглощают количество воды, превышающее больше, чем в два раза их массу. Причем основная часть воды, около 75%, связывается осмотически. В отличие от белков зерна крахмала связывают воду только гидратационно, и их объем увеличивается незначительно.

Способность белков муки к набуханию определяет физические свойства теста. Если белок набухает ограниченно, связывая достаточно большое количество воды, то образующееся тесто будет эластичным и плотным по консистенции. Неограниченное набухание белков, т. е. переход части их в растворенное состояние делает тесто жидким по консистенции, липким и мажущимся, т. е. физические свойства теста ухудшаются.

В производстве спирта одной из важнейших технологических операций является разваривание сырья — картофеля или зерен злаков. От правильного проведения этого процесса зависит выход спирта. Основная цель разваривания заключается в полном нарушении клеточной структуры сырья и растворении крахмала. Для лучшего разваривания сырье предварительно прогревают паром (запаривают), при этом оно интенсивно набухает. До температуры 50°С крахмал набухает незначительно, гораздо меньше, чем белки, но при температуре выше 60°С набухание крахмала резко увеличивается. При 90°С давление набухания возрастает, оболочки зерна разрываются и освобождается частично клейстеризованный крахмал.

Набухание является обязательным процессом при замачивании зерна в производстве солода, являющегося основным сырьем пивоваренных и квасоваренных заводов.

В мукомольной промышленности зерно, главным образом пшеничное, подвергают гидротермической обработке, т. е. при несколько повышенных температурах (до 50 °С) зерно увлажняют. В основе этого процесса лежит набухание. Для зерна характерно· ограниченное набухание, при котором оно увеличивается в объеме. Вследствие того, что зерно набухает неравномерно, в нем появляются зоны повышенного давления набухания, т. е. зоны внутреннего напряжения. Это ослабляет силы взаимодействия между отдельными частями зерна и облегчает его разрушение при размоле.

В производстве кукурузного крахмала одной из технологических операций является замачивание кукурузного зерна перед помолом. Замачивание проводится специально для размягчения зерна и создания оптимальных условий для его измельчения и последующего выделения крахмала. К концу замачивания зерно поглощает до 45% воды и увеличивается в объеме.

В производстве желейных кондитерских изделий (мармелада) используются природные студнеобразователи—агар и агароид, сложные высокомолекулярные вещества типа полисахаридов с линейными макромолекулами. Эти вещества в холодной воде не:

растворяются, но ограниченно в ней набухают. Поэтому первой технологической операцией производства желейного мармелада с применением агара или агароида является замачивание их в холодной воде, где они набухают в течение 1—2ч. Только после этого набухший агар или агароид растворяют в горячей воде.

СТУДНИ

Ограниченное набухание обычно заканчивается на стадии II а или II б, неограниченное — приводит к растворению полимера (рис. 124, III). Ограниченно набухший полимер называется студнем. Следует отметить, что студень можно получить и путем конденсации отдельных макромолекул в растворе, чаще всего посредством водородных связей.

Студни похожи по свойствам на гели, однако отличаются от них по строению тем, что сплошная пространственная сетка имеет в сечении молекулярные размеры и образована не вандерваальсовыми, а химическими или водородными связями. Таким образом, студни можно рассматривать как гомогенные системы, в отличие от гетерогенных гелей. Иная природа связей определяет и структурно-механические свойства: студни, в отличие от гелей, не тиксотропны*. Действительно, если химические связи окажутся при механическом воздействии разорванными, то они уже не восстановятся, поскольку в местах разрыва изменится состав в результате взаимодействия с растворителем. Студни, образованные полимерами, не обладают пластическими свойствами, но по упругости и эластичности они сходны с гелями и влияние различных факторов на эти свойства аналогично рассмотренному выше для ненабухших полимеров и гелей.

Упругие и эластические свойства студней определяются прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки, а также твердообразностью ориентированных слоев молекул растворителя. Особенно характерно это для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку. Таким образом, жидкость, заполняющую сетку студня и называемую интермицеллярной, можно условно разделить на две части: «свободную» и «связанную», входящую в состав сольватных оболочек.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большей плотностью; пониженной температурой замерзания (до —15 °С и ниже); потерей растворяющей способности и т. д. Связанная вода студней и гелей играет большую роль в нашей жизни, ибо присутствие ее в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает «водные запасы», определяет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды составляет у младенца -~70%, снижаясь к старости до 40%.

Старение студней, как и гелей, проявляется в синерезисе — процессе постепенного сжатия сетки (матрицы). Способность к синерезису зависит от способа получения студня. Если студень получен в результате набухания полимера, то синерезис практически не наблюдается. Студень, полученный охлаждением раствора полимера, почти всегда подвержен синерезису. Очевидно, это связано с тем, что при образовании студня из раствора, система не успевает достигнуть состояния равновесия. Процесс установления связей между макромолекулами продолжается и в студне, что ведет к дальнейшему уменьшению его объема и выделению избытка жидкости.

В большинстве случаев синерезис — нежелательное явление. Так, основной причиной черствения хлеба, выражающегося в изменении физических свойств его мякиша, считают синерезис крахмала, клейстеризованного в процессе выпечки. Нежелателен синерезис при получении мармелада. У мармелада в результате синерезиса может отделяться жидкая фаза, мармелад «намокает» и теряет свои товарные качества.

Синерезис имеет важное биологическое значение. Он является одной из причин появления у биологических тканей (с увеличением возраста организма) новых качеств — большей жесткости и меньшей эластичности. Положительным примером синерезиса может служить самопроизвольное отделение жидкости от творога в процессе созревания сыра.

Студни и процессы студнеобразования имеют большое значение в технике и биологии. Получение искусственных волокон, различных клеев, взрывчатых веществ — все эти производства связаны с образованием студней.

Многие производственные процессы пищевой технологии основаны на студнеобразовании. Одним из наиболее типичных изделий пищевой промышленности со студнеобразной структурой является мармелад. Он представляет собой студень какого-либо высокомолекулярного вещества — студнеобразователя, в который добавлены сахар, кислоты и другие вкусовые и ароматизирующие вещества. Наиболее распространенными студнеобразователями, применяемыми в кондитерской промышленности, являются пектин, агар, агароид и окисленный крахмал. Они достаточно хорошо растворяются в горячей воде и при охлаждении их растворы переходят в студни.

Пектин, содержащийся в зрелых плодах и ягодах, образует достаточно прочный студень только в присутствии кислоты и сахара. Это объясняется тем, что в макромолекулу пектина входят карбоксильные группы, в воде они диссоциируют и макромолекула пектина превращается в отрицательно заряженный макроион. Для ослабления сил электростатического отталкивания необходима кислая среда, препятствующая диссоциации пектина. Сахар же уменьшает гидратацию молекул пектина, что также способствует их соединению друг с другом при образовании трехмерной структуры студня.

Студнеобразователи агар и агароид, получаемые из водорослей и окисленный крахмал, дают хорошие прочные студни и для них не требуется добавка сахара и кислоты.

В производстве пастилы и зефира сбитую холодную пенообразную массу, состоящую из сахаро-паточного сиропа с пенообразователем, смешивают с горячим агаро-сахарным сиропом. При остывании происходит застудневание агарового раствора и образуется студнеобразный каркас, окружающий воздушные пузырьки пены.

Хлебопекарное, макаронное тесто и тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, представляет собой набухший в воде белок — концентрированный студень с включенными в него зернами крахмала.

Очень велико и биологическое значение студией. Основным содержанием любой живой клетки является протоплазма, которую можно рассматривать как весьма подвижный студень, построенный, в основном, из молекул белка.

Мы рассмотрели образование студней в процессе набухания. Дальнейшее развитие этого процесса — неограниченное набухание—приводит к растворению, к образованию растворов ВМС. Рассмотрим свойства этих растворов — молекулярных коллоидов.

РАСТВОРЫ ВМС

Растворы ВМС образуются самопроизвольно и являются термодинамически устойчивыми. Устойчивы они и в отсутствие сил отталкивания. Так, белки сохраняют устойчивость даже в изоэлектрической точке (ζ = 0). Для разрушения системы необходимо уменьшить лиофильность посредством ослабления или удаления сольватных оболочек. Этого можно достичь добавлением десольватирующих агентов (например, электролитов), а в общем случае — уменьшением активности дисперсионной среды (растворителя), что должно привести, согласно закону действующих масс, к понижению его активности в сольватных слоях. Активность растворителя может быть снижена, например, посредством добавления спирта к водному раствору белка, или ацетона — к раствору каучука в бензоле.

Наиболее часто добавляют электролиты (в случае водных растворов ВМС). Действие последних при этом существенно отличается от коагулирующего действия их на гидрофобные коллоиды, связанного, как мы видели, с уменьшением φ (потенциал)| или δ (толщина поверхностного и диффузионного слоев). В растворах молекулярных коллоидов разрушающее действие электролита проявляется в десольватации и начинается при концентрациях много больших, чем в случае коагуляции. Описанное явление называют высаливанием.

Можно сказать, что в этом случае происходит борьба за воду между макромолекулами и ионами. Критические концентрации высаливания обычно на 3—5 порядков превышают пороги коагуляции и измеряются уже не в миллимолях, а в молях на литр. Высаливающее действие не связано однозначно с зарядом иона, поскольку оно определяется дегидратирующей, а не противоионной функцией. Однако многочисленные исследования показали, что наибольшее влияние на высаливание оказывает заряд аниона. Ниже приведены концентрации натриевых солей различных кислот, вызывающие высаливание яичного альбумина из водных растворов:

	с, моль/л
C₂O₄^2-	0,56
SO₄^2-	0,80
СН₃СОО^-	1,69
Сl^-	5,42
I^-, CNS^-	∞

Анионы располагаются в данном случае в лиотропный ряд, хорошо соответствующий степени их гидратации. Слабо гидратированные ионы (I^-, CNS^-) не высаливают даже при очень высоких концентрациях.

Таким образом, между высаливающей способностью иона и степенью его гидратации существует симбатность.

В результате высаливания обычно возникают образования, похожие на коагуляты, — волокна, хлопья, творожистые осадки. Однако в некоторых случаях высаливание приводит к образованию капелек второй жидкой фазы — структурированной жидкости, приближающейся по свойствам к студню. Это явление носит название коацервации и характерно для ряда белков. Концентрация ВМС в коацерватных каплях увеличивается, в остальном растворе — уменьшается, по сравнению с исходной.

Самопроизвольное разделение гомогенного раствора на две фазы в этом процессе представляется, на первый взгляд, неожиданным, поскольку в нем возникают концентрационные градиенты, а также фазовые границы, обладающие избыточной энергией. Статистическая трактовка, предложенная Онзагером, вскрывает энтропийный характер коацервации. Вытянутые макромолекулы в растворе перекрываются сферами действия, в результате чего уменьшается свобода броуновского движения. Выделение части макромолекул в другую, более концентрированную фазу, значительно увеличивает свободу вращательного движения всех макромолекул, оставшихся в дисперсионной среде (мало изменяя ее для макромолекул коацервата), а следовательно и энтропию системы.

Следовательно, в этом процессе ΔН > 0, TΔS > 0, но |TΔS| >> |ΔН| и согласно (ΔG = ΔН — TΔS<0), ΔG < 0. Этот же механизм применим к образованиям типа тактоидов (обратимые веретенообразные анизотропные агрегаты, равновесные с золем).

Представление о коацерватах, как о зародышах простейших форм жизни в мировом океане составляет основу одной из гипотез, объясняющих происхождение жизни на Земле (Опарин). Если следовать этому представлению, то трактовка Онзагера позволяет понять, как накопление отрицательной энтропии*, характерное для жизнедеятельности, может происходить за счет самопроизвольного роста энтропии в окружающей среде. Факт существования отдельных макромолекул в растворе делает растворы ВМС весьма удобным объектом для выявления и изучения свойств ВМС.

Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!