Аннотация

Представлены результаты исследования физико-химических свойств водных и водно-спиртовых экстрактов брусники. Получены регрессионные уравнения, характеризующие изменения плотности, поверхностного натяжения и динамической вязкости экстрактов в зависимости от температуры, концентрации сухих водорастворимых веществ и спирта. Дан анализ полученных данных в зависимости от изменения параметров.

Ключевые слова

Экстракт брусники, плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение

ВВЕДЕНИЕ

Введение Ускорение социального и экономического развития нашего общества настоятельно требует преобразований в структуре и качестве питания населения и предусматривает вовлечение в рацион питания продуктов, обогащенных витаминами и другими биологически активными веществами, рекомендованных разным регионам и возрастным группам населения. В связи с этим необходимо разрабатывать и внедрять новые ресурсосберегающие технологии, создавать принципиально новые технологии получения сбалансированных и физиологически полноценных продуктов с заданными свойствами [1]. Одно из направлений в создании продукции повышенной пищевой ценности в пивоваренной и безалкогольной промышленности - производство экстрактов с использованием плодово-ягодного сырья [2]. Причем немаловажную роль в данном случае играет возможность использования сырья, произрастающего и культивируемого в непосредственной близости от мест его переработки. Это позволяет заметно сократить затраты на транспортировку и хранение сырья, расширить номенклатуру выпускаемых продуктов питания за счет использования нетрадиционных и скоропортящихся видов плодов и ягод. Употребление плодов и ягод местного растительного сырья в пищу наиболее приемлемо в течение года главным образом в виде соков, а при производстве комбинированных и обогащенных продуктов питания чаще используются экстракты [1]. Концентрированные экстракты содержат большое количество биологически активных веществ, хорошо сохраняются и отличаются простотой внесения в продукт, обеспечивая его оригинальность, хорошие органолептические показатели, привлекательный вид, а следовательно, повышают его конкурентоспособность [2]. Вследствие этого актуальным является использование концентрированных экстрактов для производства комбинированных и обогащенных продуктов питания. При переработке плодово-ягодных экстрактов происходят тепломассообменные процессы, влияющие на свойства экстрактов и физико-химические характеристики. Поэтому целью исследований является получение данных о физико-химических свойствах экстрактов [3]. Объекты и методы исследований В качестве объекта исследований были выбраны ягоды брусники, которые представляют собой неисчерпаемый ресурс разнообразных витаминов и полезных веществ и служат перспективным сырьем для применения в различных отраслях пищевой промышленности [4]. Физико-химические свойства экстрактов брусники определяли методами, получившими наибольшее распространение при исследованиях такого рода. Плотность (кг/м3) определяли пикнометрическим методом. Для измерения динамической вязкости экстрактов (мПа·с) использовали стеклянный капиллярный вискозиметр ВПЖ-3 с диаметром капилляра 0,92 мм, а для экстрактов с Ссв > 32 % масс. - капиллярный вискозиметр ВПЖ-4 с диаметром капилляра 2 мм. Коэффициент поверхностного натяжения (Н/м) на границе экстракта и воздуха опредеяли методом наибольшего давления пузырьков, разработанным академиком Ребиндером. Диапазон изменения параметров (t = 18÷48 °С; Ссв = 5÷49 % масс.; Ссп = 0÷35 % об.) был выбран из анализа условий переработки экстрактов (экстрагирование, концентрирование, термообработка и др.) с учетом следующего. Поскольку ягоды брусники содержат витамины и другие биологически активные вещества, многие из которых являются термолабильными, верхний предел их температурной обработки ограничивается t = 50 °С. Традиционный способ извлечения сухих водорастворимых веществ из плодов и ягод настаиванием предполагает использование воды или водно-спиртового раствора с содержанием спирта Ссп = 40 % об. [3]. Принятый нами верхний предел (Ссп = 35 % об.) незначительно отличается от рекомендуемого. В Сибирском регионе сбор ягод брусники не характеризуется большими объемами, поэтому их экстракты могут быть полностью использованы местной пищевой промышленностью. Учитывая это обстоятельство, можно заключить, что нет необходимости в высоком концентрировании экстрактов (до Ссв = 50÷70 % масс. согласно ГОСТ 18078-72). Кроме того, применение высококонцентрированных экстрактов в пищевой промышленности предполагает их разбавление перед внесением в продукт с целью обеспечения точности дозирования и равномерного распределения по всему объему [1]. Эксперименты проведены для экстрактов из ягод брусники с интервалом варьирования Δt = 7 °С; ΔСсв = 10 % масс.; ΔСсп = 10 % масс. При определении функциональной зависимости между тремя независимыми переменными (Ссв, Ссп, t) и откликом - физико-химическими свойствами использовали множественный регрессионный анализ [5]. Расчетная оценка погрешностей методов измерения составила: для плотности ±0,192 %, для динамической вязкости ±1,108 %, поверхностного натяжения ±1,52 %. Содержание сухих веществ (Ссв) в экстракте определялось с помощью универсального лабораторного рефрактометра ИРФ-454Б2М, предел допускаемой погрешности измерения для которого по шкале сухих веществ по сахарозе ±0,1 %. Необходимая концентрация исследуемых растворов (экстрактов) достигалась путем разведения концентрата Ссв = 50 % масс. водой и спиртом в определенном расчетном соотношении. Для определения влияния обозначенных факторов на физико-химические свойства экстрактов поставлен полнофакторный эксперимент 23. Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде статистического пакета STATISTICA 6.0 и EXCEL. В результате получены статистические модели, описывающие физико-химические свойства экстрактов. Результаты и их обсуждение Для плотности экстрактов брусники уравнение множественной регрессии имеет вид: , R = 98,5 %, (1) где R - величина коэффициента множественной корреляции, показывающего силу связи модели с экспериментальными данными [5]. Для динамической вязкости уравнение регрессии: R = 96 %. (2) Для поверхностного натяжения уравнение регрессии имеет вид: R = 98 %. (3) Для графического анализа физико-химических свойств экстрактов рассмотрим поверхности отклика (рис. 1-6), полученные в результате статистического анализа. Исследования и анализ показали, что с увеличением температуры плотность экстрактов снижается (рис. 1 и 2), что объясняется присутствием воды и спирта, плотность которых также снижается по мере возрастания температуры. С увеличением концентрации растворимых веществ в экстрактах их плотность возрастает. Рис. 1. Зависимость плотности экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации сухих веществ Рис. 2. Зависимость плотности экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации спирта Из анализа коэффициентов уравнений регрессии видно, что наибольшее влияние на значение плотности оказывает концентрация сухих веществ в экстракте, при увеличении которой происходит заметное увеличение выходной величины. Вязкость экстрактов обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием всех составляющих экстракта, таких как пектин, сахара, органические кислоты, фенольные соединения и др. В жидкости молекула может перетекать в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости расходуется энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин снижения вязкости с увеличением температуры (рис. 3 и 4). Рис. 3. Зависимость динамической вязкости экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации сухих веществ Рис. 4. Зависимость динамической вязкости экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации спирта Кроме того, экстракты включают растворы полифенольных веществ, которые содержат ионизированные группы, силы взаимодействия - отталкивания молекул. Эти силы снижают плотность молекул и увеличивают вязкость экстрактов. С повышением температуры звенья молекул высокомолекулярных соединений (полифенолов) получают возможность колебаться более энергично и вязкость уменьшается. С повышением концентрации сухих веществ и спирта вязкость экстрактов возрастает. Результаты опытов показали, что коэффициент поверхностного натяжения экстрактов уменьшается с увеличением концентрации спирта, так как спирт является поверхностно-активным веществом. С увеличением концентрации сухих веществ и температуры поверхностное натяжение также снижается (рис. 5 и 6). Как показали исследования, при изменении температуры, концентрации сухих веществ и спирта физико-химические свойства экстрактов ягод брусники меняются, что не может не сказаться при проведении процессов их переработки. Рис. 5. Зависимость поверхностного натяжения экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации сухих веществ Рис. 6. Зависимость поверхностного натяжения экстрактов ягод брусники от температуры и концентрации спирта Полученные в работе данные пополняют информационную базу о физико-химических свойствах плодово-ягодных экстрактов и могут быть использованы в инженерной практике при расчете процессов переработки экстрактов брусники, а также при подборе и расчете технологического оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов, С.С. Производство обогащенных продуктов с использованием экстрактов и их товароведная оценка / С.С. Павлов, С.Н. Кравченко. - Кемерово: Издательское объединение «Российские университеты»: Кузбассвузиздат - АСТШ, 2006. - 151 с.
2. Казакова, Е.А. Новые виды концентратов из плодов и ягод для производства напитков и плодово-ягодных квасов / Е.А. Казакова, И.Н. Грибкова, М.Я. Елисеев // Пиво и напитки. - 2006. - № 6. - С. 12-13.
3. Сорокопуд, А.Ф. Физико-химические свойства экстрактов боярышника кроваво-красного и калины / А.Ф. Сорокопуд, Н.В. Дубинина // Пиво и напитки. - 2008. - № 3. - С. 30-32.
4. Жуков, Н.А. Дикорастущие плодово-ягодные культуры - основа для получения биологических добавок к пище / Н.А. Жуков. - М.; Киров: ЭКСПРЕСС, 2006. - 253 с.
5. Тюрин, Ю.Н. Анализ данных на компьютере / Ю.Н. Тюрин, А.А. Макаров. - 3-е изд. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 528 с.