BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJ I NIEWYMROŻONEJ PO ZAMROŻENIU ROZTWORÓW MODELOWYCH SACHAROZY BEZ DODATKU I Z DODATKIEM SUBSTANCJI OCHRONNYCH 1

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 12 z. 571: BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJ I NIEWYMROŻONEJ PO ZAMROŻENIU ROZTWORÓW MODELOWYCH SACHAROZY BEZ DODATKU I Z DODATKIEM SUBSTANCJI OCHRONNYCH 1 Anna Kamińska-Dwórznicka, Urszula Karolina Ulanicka Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wstęp W żywności występują dwa rodzaje wody wolna i związana w związkach chemicznych, kryształach, strukturach żeli, zaadsorbowana na powierzchni związków oraz związana w wyniku działania sił osmotycznych, jak również związana mechanicznie [GRUDA i POSTOLSKI 1999]. Podczas obniżania temperatury produktu poniżej punktu krioskopowego wymrożeniu ulega jedynie woda wolna, tworząc kryształy lodu. Wymrożenie wody wolnej zawartej w danym produkcie jest główną przyczyną znacznego spowolnienia reakcji mikrobiologicznych i chemicznych [BETLIŃSKI i BONCA ]. Woda związana pozostaje niewymrożona, stanowiąc specyficzny rodzaj wody o odmiennych właściwościach i mający znaczny wpływ na jakość żywności w trakcie samego procesu mrożenia oraz podczas przechowywania [LEWICKI 1999; WOLFE i in. 2]. Istnienie wody niewymrożonej w zamrożonym produkcie jest prawdopodobnie spowodowane trzema czynnikami. Do czynników tych zaliczamy obecność substancji rozpuszczonych w produkcie, makrocząsteczek, błon komórkowych i innych struktur hydrofilowych oraz wzrost lepkości układu niewymrożonego [WOLFE i in. 2]. Obniżenie temperatury krioskopowej roztworu (freezing point depression) w stosunku do czystego rozpuszczalnika wyraża się wzorem Raoulta [GRUDA i PO- STOLSKI 1999]: T cr = ξ cr n gdzie: ξ cr współczynnik charakterystyczny dla danego rozpuszczalnika, tzw. stała krioskopowa (dla wody 1,86 K mol 1 ), n stężenie molowe roztworu (w molach substancji rozpuszczonej na jednostkę masy rozpuszczalnika). 1 Praca naukowa finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w latach 13.

2 6 A. Kamińska-Dwórznicka, U.K. Ulanicka Niektóre substancje naturalnie występujące w roztworach rzeczywistych, takie jak: cukry (glukoza, sacharoza), NaCl czy kwas askorbinowy, powodują obniżenie temperatury krioskopowej i utrudniają orientowanie się molekuł wody w kierunku sieci krystalicznej spowalniając dyfuzję wody, a ze względu na zmianę właściwości organoleptycznych produktu zwiększenie ich dodatku jest ograniczone [KAMIŃSKA i LEWICKI 5]. Głównymi metodami pomiaru ilości wody wymrożonej są metody kalorymetryczne, jak DSC czy TGA, oraz metody jądrowego rezonansu magnetycznego. Metody obliczeniowe oparte są na prawie Raoulta. Zgodnie z tym prawem ilość wody wymrożonej (w odniesieniu do zawartości suchej substancji w produkcie) obliczamy zgodnie ze wzorem: Tcr ω = 1 Te gdzie: ω udział wody wymrożonej [%], T cr temperatura krioskopowa produktu [ C], T e średnia końcowa temperatura produktu zamrożonego [ C]. Przykładowo zawartość wody niewymrożonej w białku jaja kurzego wynosi,55 g g 1, w skrobi kukurydzianej,35 g g 1, a w kolagenie,26 g g 1 [LEWICKI 1999; WOLFE i in. 2]. Większość produktów żywnościowych charakteryzuje się wysokim stopniem uwodnienia i z dużym przybliżeniem może być traktowana jak roztwory wodne. W pracy przedstawiono badanie procesu zamrażania (temperatura C) roztworów sacharozy o zróżnicowanym stężeniu ( i 4%), jako układów modelowych, opisując istnienie ścisłej współzależności między wartościami temperatury krioskopowej, końcowej i stopniem zagęszczenia roztworu a zawartością wody niewymrożonej w produkcie. Materiał i metody Metody technologiczne Roztwory sacharozy sporządzono w dwóch wariantach stężenia ( i 4%), w ilości 4 ml każdy (cukier Diamant plus woda destylowana). Poza wariantem podstawowym roztworów modelowych ( i 4%) przygotowano roztwory o tym samym stężeniu z dodatkiem substancji mających działanie ochronne (przed nadmierną krystalizacją i rekrystalizacją). Dodano: kappa karagen (KK) w ilości,5% masowych całości roztworu do badań, alginian sodu (AS) w ilości,5% masowych całości roztworu do badań, AFP III (antifreeze protein typ III białko ograniczające krystalizację lodu) w ilości,39% masowych całości roztworu do badań. Roztwory zamrażano w aluminiowym, cylindrycznym pojemniku o średnicy 6 cm i wysokości 16 cm, który umieszczano w kriostacie firmy HUBER (model CC 55). Zamrażanie prowadzono w temperaturze C. Temperaturę w środku geometrycznym próbek rejestrowano co 5 sekund za pomocą wielokanałowego termometru cyfrowego MPI-LAB (Metronic Instruments), podłączonego do komputera.

3 BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJ I NIEWYMROŻONEJ Proces prowadzono do osiągnięcia w badanym punkcie założonej średniej końcowej temperatury 15 C. W każdym sporządzonym roztworze dokonano pomiaru ekstraktu początkowego, a także ekstraktu niewymrożonej fazy płynnej przy użyciu refraktometru (Pocket refractometer PAL-3 firmy Atago). Pomiary dla każdego wariantu stężenia i temperatury powtórzono trzykrotnie. Metody obliczeniowe Za wartość temperatury krioskopowej przyjęto temperaturę odpowiadającą początkowemu, prostoliniowemu odcinkowi krzywej zamrażania po etapie schładzania. Udział wody niewymrożonej określono na podstawie obliczeń, korzystając ze wzoru Raoulta (biorąc pod uwagę wartości temperatury krioskopowej i średniej końcowej temperatury produktu zamrożonego) oraz korzystając z bilansu masowego procesu zagęszczania. Dysponując początkową i końcową zawartością suchej substancji w próbce (ss o i ss k przed i po mrożeniu), można wyznaczyć początkową i końcową procentową zawartość wody w próbkach (w o i w k ). Uwzględniając bilans masowy procesu zagęszczania: Mss = Mss o o z k można wyznaczyć masę roztworu zagęszczonego w gramach, czyli M z, a następnie obliczyć początkową i końcową zawartość wody w gramach, czyli W o i W k. Procent wody wymrożonej (ω) w danej próbce obliczymy z zależności: Wk ω = [%] W Korzystając ze wzoru Raoulta, należy również uwzględnić początkową i końcową zawartość wody w badanej próbce. o Wyniki i dyskusja Dla roztworów modelowych sacharozy (bez dodatków ochronnych) zamrażanych w kriostacie w temperaturze C stwierdzono, że temperatura krioskopowa uległa obniżeniu wraz ze wzrostem stężenia próbek z do 4% (tab. 1, rys. 1). Podobne wyniki przy zamrażaniu roztworów sacharozy o zróżnicowanym stężeniu uzyskali CORNILLON i in. [1995]. GABAS i in. [3], po przeprowadzeniu podobnych doświadczeń, stwierdzili, że obniżenie temperatury krioskopowej jest związane ze stopniem wymrożenia wody w produkcie, co może tłumaczyć wzrost zawartości wody wymrożonej wraz ze wzrostem stężenia zamrażanej próbki (w roztworze % ω = 42,86%, w roztworze 4% ω = 66,94%). Każda z badanych substancji ochronnych wpływała na podwyższenie temperatury krioskopowej roztworów o stężeniu % (rys. 2). Największą wartością temperatury krioskopowej charakteryzował się roztwór % z dodatkiem AFP III (,2 C). Niezależnie od zmian temperatury krioskopowej w próbkach zawartość wody wymrożonej i niewymrożonej praktycznie nie różni się między poszczególnymi próbkami o stężeniu % bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych (tab. 1). Potwierdziła to również analiza wariancji jednoczynnikowej, przy poziomie istotności

4 62 A. Kamińska-Dwórznicka, U.K. Ulanicka Tabela 1; Table 1 Porównanie temperatura krioskopowa, zawartość wody wymrożonej i niewymrożonej w roztworach Comparison cryoscpic temperature, frozen and unfrozen water content in the solutions Rodzaj roztworu Type of solution Sacharoza % Sucrose % Sacharoza 4% Sucrose 4% Sacharoza % + KK Sucrose % + KK Sacharoza 4% + KK Sucrose 4% + KK Sacharoza % + AS Sucrose % + AS Sacharoza 4% + AS Sucrose 4% + AS Sacharoza % + AFP Sucrose % + AFP Sacharoza 4% + AFP Sucrose 4% + AFP Temperatura krioskopowa Cryoscopic temperature ( C) Woda niewymrożona Unfrozen water content nω (%) Woda wymrożona Frozen water content ω (%) 1,8 57,14 42,86 3,3 33,6 66,94,8 57,14 42,86 2,7 33,6 66,94 1,4 56,53 43,47 3,2 34,16 65,84,2 56,73 43,27 34,44 65,56 25 Temperatura w środku próbki ( C) Temperature in the sample centre ( C) Rys. 1. Fig. 1. Czas zamrażania (min) Time of freezing (min) % 4% Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stężeniu % i 4% w temperaturze C Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration of % and 4% at the temperature of C

5 BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJ I NIEWYMROŻONEJ Temperatura w środku próbki ( C) Temperature in the sample centre ( C) Rys. 2. Fig. 2. Czas zamrażania (min) Time of freezing (min) BD KK AS AFP Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stężeniu % bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych w temperaturze C Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration of % without and with the addition of protective substances at the temperature of C α =,5. Przy podanym poziomie istotności występuje istotna statystycznie różnica pomiędzy ilością wody wymrożonej i niewymrożonej w roztworach % z dodatkiem substancji ochronnych a ilością wody wymrożonej i niewymrożonej w roztworach o tym samym dodatku, ale stężeniu 4%. W roztworach o stężeniu 4% wymarzało średnio o % wody więcej niż w roztworach o stężeniu %, a próbki, podobnie jak przy poprzednim wariancie stężenia, nie różniły się istotnie statystycznie między sobą, jeśli chodzi o zawartość wody wymrożonej i niewymrożonej. Największą zawartością wody niewymrożonej spośród próbek o stężeniu 4% charakteryzował się roztwór z dodatkiem AFP III, co potwierdza właściwości krioprotekcyjne tych związków. Dzięki nim niektóre organizmy mogą doskonale funkcjonować nawet w temperaturze poniżej zera [GRIFFITH i EWART 1995]. Spowodowane jest to prawdopodobnie gromadzeniem się cząsteczek AFP na powierzchni powstałych na początku krystalizacji małych kryształów lodu, co zapobiega ich dalszemu wzrostowi [HARDING i in. 3]. W przypadku roztworów o stężeniu 4% jedynie dodatek kappa karagenu (KK) wpływał na istotne podwyższenie temperatury krioskopowej: 3,3 C dla próbki bez dodatku substancji ochronnej, 2,7 C dla próbki z dodatkiem kappa karagenu (tab. 1, rys. 3). Dla roztworu z dodatkiem AFP III ze względu na przebieg krzywej zamrażania nie było możliwe wyznaczenie temperatury krioskopowej (rys. 3). Dodatek alginianu sodu (AS) nie wpłynął istotnie na zmianę temperatury krioskopowej. Próbka ta charakteryzowała się jednak nieznacznie większą zawartością wody niewymrożonej niż próbka bez dodatku. Alginian sodu, jako substancja

6 64 A. Kamińska-Dwórznicka, U.K. Ulanicka 25 Temperatura w środku próbki ( C) Temperature in the sample centre ( C) Rys. 3. Fig. 3. BD Czas zamrażania (min) Time of freezing (min) KK Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stężeniu 4% bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych w temperaturze C Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration of 4% without and with the addition of protective substances at the temperature of C AS AFP stabilizująca, podobnie zresztą jak kappa karagen, dodana do roztworu ulega pęcznieniu, uniemożliwiając niektórym cząsteczkom wody przemianę w lód [MAŁOLEP- SZY 1993; DZIOMDZIORA i KRALA 5; KAMIŃSKA i LEWICKI 8]. Obie metody obliczeniowe, określające udział wody wymrożonej i niewymrożonej, pozwoliły uzyskać nieróżniące się statystycznie wyniki, stąd dane w tabeli 1 uśredniony wynik z obu metod obliczeniowych. Wnioski 1. Temperatura krioskopowa modelowych roztworów sacharozy zamrażanych w kriostacie w temperaturze C uległa obniżeniu (o 1,5 stopnia) wraz ze wzrostem stężenia próbek z do 4%. 2. Każda z badanych substancji ochronnych wpływała na podwyższenie temperatury krioskopowej roztworów o stężeniu %. W przypadku próbek o stężeniu 4% jedynie dodatek kappa karagenu wpłynął na istotne podwyższenie temperatury krioskopowej (wzrost o,6 C). 3. Więcej wody wymarzało w próbkach o stężeniu 4% (średnio o % wody więcej niż w roztworach o stężeniu %). 4. Dodatek substancji ochronnych nie wpłynął istotnie na zmianę zawartości wody wymrożonej i niewymrożonej zarówno dla roztworów o stężeniu %, jak i 4%.

7 BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJ I NIEWYMROŻONEJ Największą zawartością wody niewymrożonej spośród próbek o stężeniu 4% charakteryzował się roztwór z dodatkiem AFP III ω = 34,44%. Literatura BETLIŃSKI Ł., BONCA Z.. Wpływ metody zamrażania produktów żywnościowych na ich cechy jakościowe. Część I. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 8: CORNILLON P., ANDRIEU J., DUPLAN J.C., LAURENT M Use of Nuclear Magnetic Resonance to Model Thermophysical Properties of Frozen and Unfrozen Model Food Gels. Journal of Food Engineering 25: DZIOMDZIORA M., KRALA L. 5. Krioprotekcja nierozdrobnionego mięsa wieprzowego. Chłodnictwo 8 (4): GABAS A.L., TELIS-ROMERO V.R.N. 3. Influence of Fluid Concentration on Freezing Point Depression and Thermal Conductivity of Frozen Orange Juice. International Journal of Food Properties 6: GRIFFITH M., EWART K.V Antifreeze proteins and their potential use in frozen foods. Biotechnology Advances 13 (3): GRUDA Z., POSTOLSKI J Zamrażanie żywności. WNT, Warszawa. HARDING M.M., ANDERBERG P.I., HAYMET A.D. 3. Antifreeze glycoproteins from polar fish. European Journal of Biochemistry 27: KAMIŃSKA A., LEWICKI P.P. 5. Metoda dehydrofreezing (D-F) znaczenie i przyszłość (Dehydrofreezing metod (D-F) Meaning and Future). Przemysł Spożywczy 9 (59): KAMIŃSKA A., LEWICKI P.P. 8. Metody ograniczania krystalizacji lodu w procesie zamrażania. Przemysł Spożywczy 9 (62): LEWICKI P.P Właściwości wody w produktach spożywczych. Inżynieria Chemiczna i Procesowa. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej 811 (24): MAŁOLEPSZY B Dlaczego stosujemy do produkcji lodów stabilizatory i emulgatory? Część I. Stabilizatory. Przegląd Piekarski i Cukierniczy 3: 29. WOLFE J., BRYANT G., KOSTER K.L. 2. What is unfreezable water, how unfreezable is it and how much is there? Cryo Letters 23: Słowa kluczowe: sacharoza, zamrażanie, temperatura krioskopowa, woda niewymrożona Streszczenie Celem pracy było określenie procentowego udziału wody wymrożonej i niewymrożonej w zamrażanych modelowych roztworach sacharozy. Badano roztwory o stężeniu i 4% bez dodatków oraz z udziałem takich substancji, jak: kappa karagen (KK), alginian sodu (AS) oraz AFP III (białko ochronne typ III). Zamrażanie prowadzono w kriostacie ze stałą kontrolą temperatury przy C. Temperaturę

8 66 A. Kamińska-Dwórznicka, U.K. Ulanicka krioskopową określono na podstawie krzywych mrożenia. Udział wody wymrożonej i niewymrożonej określono na podstawie obliczeń, korzystając ze wzoru Raoulta oraz z bilansu masowego procesu zagęszczania. Temperatura krioskopowa roztworów bez dodatków uległa obniżeniu wraz ze wzrostem stężenia próbek. Dodatek substancji ochronnych podwyższał temperaturę krioskopową. Więcej wody (średnio o %) wymarzało w próbkach o stężeniu 4%. Dodatek substancji ochronnych nie wpłynął istotnie na zmianę zawartości wody wymrożonej i niewymrożonej zarówno dla roztworów %, jak i 4%. INWESTIGATION ON FROZEN AND UNFROZEN WATER CONTENT CONCERN AFTER FREEZING OF MODEL SUCROSE SOLUTIONS WITH OR WITHOUT ADDITION OF PROTECTIVE SUBSTANCES Anna Kamińska-Dwórznicka, Urszula Karolina Ulanicka Department of Food Engineering and Process Management Warsaw Agricultural University of Life Sciences SGGW Key words: surose, freezing, cryoscopic temperature, unfrozen water Summary The aim of this study was to determine the percentage of frozen and unfrozen water content concern in frozen model sucrose solutions. Solutions were tested at the concentration of and 4% without additives and with such substances as: kappa carrageenan (KK), sodium alginate (AS) and III AFP (protection protein type III). Freezing was carried out in the cryostat at the temperature of C. The cryoscopic temperature was defined based on freezing curves. Frozen and unfrozen water content was evaluated based on the calculations from Raoult equation and also from the concentration mass balance. The cryoscopic temperature without the addition of solutions decreased with increasing concentration of the samples. The addition of protective substances increased the cryoscopic temperature. More water (average %) was freezed in samples with the concentration of 4%. The addition of protective substances didn t significantly affected the change in frozen and unfrozen water content, for both of the solutions % and 4%. Dr Anna Kamińska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji ul. Nowoursynowska 159c WARSZAWA anna_kaminska@sggw.pl