CC BY
31
Исследование
форм связи влаги в цикории
1А.Н. Остриков, А.А. Шевцов, И.В. Кузнецова, О.А. Сизоненко
Воронежская государственная технологическая академия
Цикорий — высокополисахаридное ину-линсодержащее сырье. Корни цикория содержат до 15 % сахаров, в том числе до 11 % инулина, горькие, смолистые, дубильные вещества, органические кислоты, гликозид интибин, витамины группы В, С, каротин. Корни используют для приготовления кофейных напитков, для получения инулина и фруктозы. В мировой практике его применяют не только для производства кофейных напитков, но и как лечебно-профилактическое средство, обладающее антидиабетическими, радиопротекторными и другими полезными свойствами.
Цикорий облегчает работу сердца, улучшает пищеварение, способствует удалению токсинов из организма, усиливает обмен веществ, повышает активность желчи, печени, почек [4]. Около 80 % сухих веществ, содержащихся в цикории, растворимы в воде. Поэтому в жареном цикории больше растворимых веществ, чем в натуральном кофе. Настой из цикория крепкий, густой и ароматный, поэтому его специально добавляют (~20 %) к натуральному кофе, чтобы получить очень темный, с особым ароматом напиток. Главное преимущество напитков из цикория (по сравнению с кофе) заключается в том, что он не содержит сильнодействующих веществ и не оказывает возбуждающего действия на нервную и сердечнососудистую системы. Такие напитки безопасны для лиц, которым противопоказан натуральный кофе, например страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями, бессонницей, аллергическими и др.
Важные этапы в технологии производства напитков из цикория — сушка и обжаривание, в ходе которых протекает целый комплекс пиролитических и физико-химических процессов, сопровождающихся карамелизацией некоторой части углеводов, реакцией Майяра между аминокислотами и моносахарами и образованием меланоидинов. Сушеный цикорий имеет травянистые вкус и запах, а его настой — цвет слабого чая. При обжаривании цикорий приобретает темный цвет, приятный аромат и горьковатый вкус. От характера протекания этого процесса (быстрый или медленный, поверхностный или глубокий, при высокой или низкой температурах) зависят важнейшие качественные показателя напитка из цикория [4].
Правильностью выбора режимов сушки и обжарки определяются пищевая ценность и качественные показатели цикория как результаты структурно-механических, биологических и физико-химических преобразований веществ. Для эффективной реализации процессов сушки и обжарки цикория необходимо изучить характер связи влаги с определением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.
В качестве объекта исследований использовали цикорий сорта «Донор», произрастающий в Кабардино-Балкарской Республике, с высоким содержанием экстрактивных веществ, углеводов и особенно инулина [4]. После предварительной подготовки (удаления остатков ботвы, корешков, мойки) свежий цикорий нарезали на кубики 10x10x10 мм, которые далее отсортировывали с целью выравнивания гранулометрического состава и обеспечения однородности структуры продукта.
Закономерности теплового воздействия на растительные продукты исследовали методом неизотермического анализа на дериватографе системы «Паулик — Пау-лик — Эрдей» [2].
Дифференциально-термический анализ позволяет установить направление и величину изменения энтальпии, связанной с изменением влагосодержания цикория в результате его нагрева. Исследования проводили в кварцевых тиглях с общей массой навески для образца 500 мг. В качестве эталона использовали А1203, прокаленный до 2800 °С. Термоаналитические кривые, применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики, одновременно регистрируют изменения температуры, массы образца, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые ТА, ТG, ЭТА и DTG). Регулирующее устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых ТА, ТG, ЭТА и DTG.
Выбор режимов записи дериватограмм определяли с учетом методики [3]. Были выбраны следующие режимы снятия дери-ватограмм: чувствительность гальванометра ЭТА — 1/15; чувствительность гальванометра DTG — 1/15; чувствительность
гальванометра ТG — 200 мг; скорость изменения температуры нагрева печи — 3 °С/мин; максимальная температура нагрева 300 °С.
В процессе теплового воздействия частицы цикория претерпевают значительные физико-химические изменения [1], в результате которых высвобождается вода, определяющая характер протекающих внутри продукта преобразований веществ. За счет испарения влаги и разложения сахаров, клетчатки и других органических соединений (лизин, метионин) их масса снижается на 65-73 %. При этом ослабевает прочность структуры вследствие частичного гидролиза клетчатки, целлюлозы и других сложных углеводов, из которых состоят стенки клеток и межклеточные перегородки [6].
Кинетическая характеристика процесса — температура начала термолиза Т1 (отклонение от базовой линии кривой ЭТА показано на рис. 1). Температура Т2 соответствует точке наибольшего отклонения данной кривой. Участок возрастания кривой ЭТА, начиная с пика, соответствует выравниванию температурного поля образцов цикория до нового квазистационарного состояния, нарушенного ранее тепловым эффектом превращения [5].
Количественную оценку кинетически неравноценных молекул воды в цикории осуществляли по экспериментальным кривым, полученным методом термогравиметрии. Участок изменения массы на кривой TG (см. рис. 1), соответствующий процессу дегидратации, преобразовывали в зависимость степени изменения массы или превращения вещества от температуры. Для этого через каждые 5 °С на кривой ТG при определенных значениях температуры находили изменение массы ж. образца, соответствующее массовой доле высвобождающейся воды при температуре Т.. Степень изменения массы а рассчитывали как отношение массы ж. к общей массовой доле воды ж, содержащейся в продукте, определяемое из кривой TG в конце процесса дегидратации. Полученная кривая ТG в координатах а — Т имеет Б-образный вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ цикория, и предполагает различие в скорости высвобождения воды на разных участках данной кривой (рис. 2). Следовательно, кривые зависимости степени превращения вещества от температуры позволяют изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги и предполагают разную скорость дегидратации.
Для получения данных о механизме вла-гоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбированной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах (-^а) — (103/ Т). Зависимость -/§а от величины 103/Т (рис. 3) выполнена для интервала
ПИ]
НАПИТКИу 5 •
2004
а-10
378 .
418
458
К 498
Рис. 2. Зависимость степени превращения а от температуры Т для исследуемого продукта
1,6
0,8 -1да
0,4
А ■
В У 346
/
526 £ / К 0 417 К с ^ 381 К
1,8 2,0
2,2 2,4 2,6 2,8 1 /К 3,0 1000/К-----"
Рис. 3. Зависимость а от величины 103/Т для исследуемого продукта
298...518 К. На рис. 3 отчетливо видны четыре линейных участка для цикория, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды.
При температуре до 346 К происходят нагрев и удаление слабосвязанной воды, находящейся в цикории. При температуре до 381 К разрушается связь вода — вода, а при 417 К удаляется адсорбционно связанная влага и происходит частичное разложение вещества. В интервале температур 417.518 К наблюдается разложение веществ с выделением газообразных составляющих и начало удаления химически связанной воды. Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи. Кривые изменения массы исследуемых продуктов при температуре 398 К имеют характерную точку перегиба, показывающую изменение механизма деструкции (см. рис. 2).
Дериватограмма цикория (см. рис. 1) имеет характеристические температуры ступеней гидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги и отделением газообразных фракций (табл. 1).
На кривой ЭТА наблюдается значительный эндотермический минимум при температуре 338 К (см. табл. 1, рис. 1), который соответствует максимальной скорости дегидратации продуктов и сопровождается интенсивной потерей массы образца, а также связан с преобразованием веществ цикория и значительным выделением газообразных фракций.
Таблица 1
Кинетические характеристики Температура, К
Начала эндотермического эффекта Пика эндотермического эффекта Окончания эндотермического эффекта 381 398 448
Эффект на кривой ЭТА сопровождается изменением массы (кривая TG) и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии [5].
Рассмотрим более подробно виды связи влаги в цикории. На первой стадии (участок АВ кривой на рис. 3) при температуре до 346 К происходят нагрев и удаление «свободной» воды (механически и осмотически
связанной влаги), имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Высвобождается вода, образующая ажурную сетку из ас-социатов молекул воды, связанных между собой водородными связями [1]. При этом десорбция капиллярной воды характеризуется более низкими величинами энергии активации по сравнению с водой, высвобождающейся на второй ступени процесса.
В процессе нагрева часть осмотически и иммобилизационно связанной влаги, удерживаемой в замкнутых ячейках белковых мицелл, высвобождается при развертывании их полипептидных цепей при температуре испарения адсорбционно связанной влаги в результате нарушения мицел-лярных и гидрофобных взаимодействий белков и углеводов с водой [2].
Вода, выделяющаяся на второй ступени (промежуточная), образует несколько последующих слоев молекул, более прочно связанных с продуктом (участок ВС на рис. 3). Данные молекулы испытывают влияние активных групп сухих веществ и обладают более искаженной структурой по сравнению с водой в объеме [5].
В интервале температур около 346.381 К завершается удаление физико-механической связанной воды и начинается высво-
5•2004
ПИВО " "ЛПИТКИ
бождение незначительного количества слабосвязанной адсорбционной влаги внешних полимолекулярных слоев внутри продукта и частичное разложение вещества, а начиная с температуры 417 К, наблюдается деструкция веществ.
Отклонение дифференциальной термической кривой (см. рис. 1) от базовой линии в области температур 343...355 К обусловлено эндотермическим эффектом в результате десорбции жидкости из продукта при его нагревании.Интенсив-ное перемещение влаги в этой области температур обусловлено явлением термодиффузии.
Эндотермический эффект при температуре 417 К, сопровождающийся окончанием интенсивной потери массы, соответствует высвобождению молекул воды с физико-химической связью и удалению газообразных фракций (табл. 2). При температуре цикория 417.526 К начинается распад веществ данных продуктов. С повышением температуры свыше 526 К пикообраз-ные кривые DTG обусловлены значительной деструкцией веществ, что отмечается и на кривой TG при снижении массы образцов, с последующим обугливанием продуктов.
К 100-летию
со дня рождения В.И. Попова
заслуженного деятеля науки и техники,
профессора Воронежского технологического института (ныне ВГТА)
Таблица 2
Структурные Температура,
изменения К
Извлечение основной массы влаги 385
Начало деструкции 417
веществ продукта
Третья ступень дегидратации (участок СЭ кривой на рис. 3) соответствует удалению сильносвязанной воды, гидратирую-щей активные группы сухих веществ.
На четвертой ступени (участок ЭЕ кривой на рис. 3) завершается преобразование и разрушение структуры углеводов и органических кислот.
Таким образом, анализ полученных данных позволил выделить четыре периода дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на цикорий, а также выявить температурные зоны, соответствующие высвобождению влаги с различной формой и энергией связи.
ЛИТЕРАТРА
1. Вода в пищевых продуктах/Под ред. Р.Б. Даку-орта; Пер. с англ. — М.: Пищевая промышленность, 1986.
2. Дериватограф системы «Паулик — Паулик — Эрдей»//Теоретические основы. — Будапешт: Венгерский оптический завод, 1974.
3. Котова Д.Л, Селеменев В.Ф. Термический анализ ионообменных материалов. — М.: Наука, 2002.
4. Ломачинский В.А, Нахмедов Ф.Г. Цикорий и продукты его переработки. — М.: ЦНИИТЭИпище-пром, 1981. С. 1-56. (Сер. 4. Консервн., овощесуш. и пищеконц. пром-сть. Обзор. информ. Вып. 5).
5. Уэндландт У. Термические методы анализа/Пер. с англ. — М.: Мир, 1978. ^¡^
Владимир Ильич Попов — доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РСФР, один из ведущих специалистов в области пищевой промышленности. В.И. Попов родился 24 июля 1904 г. в с. Локотов Алтайского края. Трудовую деятельность начал в 16 лет, работая в типографии. С 1923 по 1929 г. учился в Томском технологическом институте и одновременно трудился на спичечной фабрике. После окончания института работал в должности технического руководителя на Томском пивоваренном заводе, с 1932 г. и до конца своих дней (за исключением службы в армии в период Великой Отечественной войны) —в Воронежском технологическом институте в должностях доцента, профессора, декана факультета, заместителя директора института.
Вопросы технологии бродильных производств, тепло-и массообмен в процессах сушки сложных пищевьх производств занимали центральное место в научных исследованиях В.И. Попова.
Работы Владимира Ильича Попова посвящены исследованию механических и тепловых процессов бродильных производств и разработки методов расчета и конструирования новой прогрессивной техники пищевых предприятий.
Основные направления научной работы В.И. Попова можно кратко представить в следующем обзоре.
Совершенствование технологии солодоращения и разработка методов расчета пневматических солодовен. Расширение производства товаров народного потребления в нашей стране в свое время вызвало необходимость совершенствования и интенсификации производственных процессов. Ячменный солод, являющийся основным сырьем для производства пива и слабоалкогольных напитков, производился на большинстве предприятий примитивным способом.
В ряде экспериментальных и теоретических работ В.И. Попов разработал теорию расчета и конструирования барабанных пневматических солодовен и методы кондиционирования воздуха для пневматического солодораще-ния. Результаты работ применяются в промышленности для проектирования и эксплуатации пневматических солодовен и вошли в учебники и учебные пособия для пищевых вузов. На основе этих работ ученики В.И. Попова создали проекты ныне построенных и действующих крупных пневматических солодовен при Горьковском, Останкинском, Воронежском пивзаводах.
Рационализация теплового хозяйства солодовенного и пивоваренного производств. Ряд работ В.И. Попова посвящен вопросам рационального потребления тепла и использования отработанного тепла низкого потенциала в солодовенном и пивоваренном производствах. Анализ работы теплового хозяйства существующих предприятий пищевой промышленности вскрыл наличие неиспользованных возможностей снижения общего расхода топлива. Предложены методы использования вторичных энергетических ресурсов для сушки солода и нагревания воды, разработаны методы рационализации потребления тепла и
предложены методы расчета и конструирования новой аппаратуры.
Исследование процессов тепло-и массообмена при сушке пищевых продуктов. Значительное число работ выполнено по исследованию процессов тепло- и массообмена при сушке пищевых продуктов как самим В.И. Поповым, так и его учениками канд. техн. наук В.Е. Балашовым, д-ром техн. наук И.Т. Кретовым, инженером М.И. Калининой, В.Н. Киреевским и др.
Своими исследованиями В.И. Попов расширил учение о кинетике сушки, установил количественную зависимость скорости сушки от форм связи влаги с материалом; разработал оптимальные режимы непрерывных процессов сушки некоторых пищевых продуктов; исследовал их теп-лофизические свойства, разработал методы расчета и регулирования конвективных сушилок, работающих с переменным количеством воздуха в отдельных зонах.
Разработанные им вопросы теории сушки и методы расчета применяются в промышленности при конструировании и эксплуатации сушилок, и вошли в учебную литературу.
Разработка новых технических средств производства и пропаганда новой техники. Пропаганда прогрессивной техники и передовых методов работы пищевых предприятий занимала значительное место в работах В.И. Попова.
Являясь участником многочисленных конференций специалистов бродильной промышленности, он постоянно выступал с докладами и лекциями по новой технике. В периодической печати им опубликован ряд статей, указывающих возможные направления развития техники бродильных производств, освещающих состояние техники за рубежом и предлагающих новые технические решения.
Работа по созданию учебников и учебных пособий. Основное место в деятельности В.И. Попова заняла работа по созданию учебников и учебных пособий для высшей школы.
Быстрый рост техники пищевых производств в нашей стране вызвал необходимость выделения курса технологического оборудования в самостоятельную дисциплину в пищевых вузах.
В.И. Попов написал учебники «Механическое оборудование солодовенного и пивоваренного производства», а также под его редакцией была выпущена книга «Оборудование бродильных производств». Данный учебник охватывает оборудование для основных отраслей бродильных производств: солодовенного, пивоваренного, дрожжевого, спиртового и ликероводочного. При его активном участии создано пособие «Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств».
Научные направления, которым посвятил свою жизнь В.И. Попов, ныне успешно развиваются его многочисленными учениками и инженерами пищевой промышленности.
Профессор Б.И. КУЩЕВ
ПИВО " НАПИТКИ
5•2004
