автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка методов оценки эмульсионных свойств белков и их применение в пищевых технологиях

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

ГУРОВА Наталья Викторовна

УДК 541.182.42:547.9623

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭМУЛЬСИОННЫХ СВОЙСТВ БЕЛКОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1991

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории электрофизических методов исследования пищевых продуктов Московского ордена Трудового Красного Знамени института прикладной биотехнологии и в лаборатории новых пищевых форм ордена Ленина института элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова АН СССР.

Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт молочной промышленности.

на заседании специализированного совета К 063.46.01, Московского орден Трудового Красного Знамени института прикладной биотехнологии, 109029 г. Москва, ул. Талалихина.ЗЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского ордена Трудового Красного Знамени института прикладной биотехнологии.

Научные руководители:

академик ВАСХНИЛ Рогов И .А. кандидат технических наук Токаев Э.С.

Официальные оппоненты:

Доктор химических наук, профессор Измайлова В.Н. Кандидат технических наук Воякин М.П

Ведущее предприятие:

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

А.Г. Забашта

Эмульсии широко применяются в мясной и молочной юмышленности. Эмульсиями являются, например, тонко измельченные лбасные фарши, молоко и большинство молочных продуктов, эедварительно приготовленные эмульсии, стабилизированные немясными !лками, используются взамен части мясного сырья при производстве лбас, сосисок, фаршевых консервов и т.д. Широкое распространение шучили эмульсии - аналоги молока и молочных продуктов, абилизированные различными белками. Очевидно, что для ненаправленного использования белков в качестве стабилизаторов чульсий, а также для регулирования свойств последних ^ обходима личественная оценка эмульсионных свойств белков. Для этой цели пользуется ряд методов, не являющихся, однако, универсальными, (скольку оценка эмульсионных свойств осуществляется без учета влияния нцентрации белка, доли масляной фазы и режима получения эмульсий, зэтому сопоставление количественных результатов, полученных разными торами, а также применение используемых методов для решения нкретных технологических задач затруднено. С этой точки зрения туальной представляется разработка принципиально нового подхода к (енке эмульсионных свойств, основанного на изучении влияния физико-1мических факторов (в частности, концентрации белка) на показатели 1ульсионных свойств белков, и позволяющего получать характеристики, шариантные в сравнительно широком диапазоне условий. При этом юдполагается использовать методы, приемлемые как для ¡следовательских, так и для заводских лабораторий.

С другой стороны, для целенаправленного регулирования эмульсионных юйств белков необходимым является развитие представлений о аимосвязи между эмульсионными свойствами и молекулярными рактеристиками белков. Это представляется актуальным и с точки зрения шершенствования технологий производства пищевых продуктов, и с точки !ения развития технологий выделения белков.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка метод оценки эмульсионных свойств белков для целенаправленного использован -последних в традиционных и новых технологиях производства пищев продуктов, имеющих в своем составе эмульсии. В соответствии с эл были поставлены следующие задачи: изучить зависимости традицион используемых показателей эмульсионных свойств белков, от концентрац белка и некоторых условий эмульгирования; на основе анализа так зависимостей разработать систему характеристик, инвариантных концентрации белка и некоторым условиям эмульгирования; изучу взаимосвязь между молекулярными характеристиками белков и эмульсионными свойствами; проверить применимость разработаннс подхода на широком круге эмульгаторов (белков и низкомолекулярн ПАВ); применить разработанные методы в некоторых пищевых технология:

Научная новизна. Эмульгирующие свойства белков предложе оценивать характеристиками, полученными из концентрационн зависимости точки инверсии фаз эмульсии (изотерма инверсии). Указанн характеристики, а именно - характеристическая эмульгирукж способностью (ЕС;), концентрация полуэффекта (С1/2) и пР эмульгирования (Ртах) - инвариантны по отношению к концентрации бе; и некоторым условиям эмульгирования. Установлено, что основн параметр изотермы инверсии - характеристическая эмульгируюи способность (ЕС;) - величина обратно пропорциональная критическ величине адсорбции.

Обнаружен немонотонный вид изотерм инверсии для альбум^ сыворотки крови, 0-лактоглобулина и казеината натрия. Высказа предположение, что наблюдаемый эффект обусловлен специфик взаимодействия белков с масляной фазой.

Предложен оригинальный метод оценки устойчивости эмульсий коалесценции и флотации, учитывающий влияние объемной доли маслян фазы в эмульсии (метод диаграмм стабильности). При этом мер устойчивости эмульсии служит. площадь на диаграмме стабильное

вечающая области существования не разрушившейся в условиях пытания эмульсии. Для получения характеристик стабильности, вариантных по отношению к концентрации белка, предложено пользовать концентрационную зависимость площади на диаграмме, ответствующей неразрушившейся эмульсии.

Практическое значение полученных результатов.

Предложенные методы оценки эмульсионных свойств белков, а также нструкция установки для определения точки инверсии фаз в эмульсии в стоящее время используются для совершенствования технологий лучения пищевых эмульсий и выделения белка:

при проведении лабораторных работ по технологии мяса и мясопродуктов 1Я изучения функциональных свойств белковых компонентов мясных юдуктов (Московский институт прикладной биотехнологии);

для контроля за эмульсионными свойствами при разработке хнологического процесса получения изолята белков сои (ГБС), а также ы контроля за процессом модификации ГБС путем термоденатурации в |дно-этанольных растворах с целью его использования в составе эмульсий ж производстве вареных колбас и детского питания, а также в качестве абилизатора для мягкого мороженого (Институт элементоорганических >единений АН СССР);

для оценки качества выделяемого из кормового люпина пищевого белка (десский технологический институт пищевой промышленности); для оценки эмульсионных свойств препарата рыбного белка с целью тределения наиболее целесообразных путей его использования (ВНИИ орского рыбного хозяйства и океанографии);

для контроля за эмульсионными свойствами запасных белков семян юпчатника при разработке технологического процесса их выделения и одификации методом ацилирования (Институт химии растительных веществ Н УзССР);

при проведении практикума по коллоидной химии для оценки

эмульсионных свойств биологически-активных веществ (Московский институ тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова);

- для оценки эмульсионных свойств белков, выделенных из растительног сырья (Центральный институт питания Академии наук ГДР).

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на коллоквиума лаборатории новых пищевых форм ИНЭОС АН СССР, докладывались н Всесоюзном совещании "Физическая химия структурообразования пищевы белков" (Таллин, 1983г.), на Всесоюзной конференции "Новые источник пищевого белка" (Кобулети, 1987г.), на международном симпозиум "EUCHEM Workshop on adsorption of surfactants and macromolecules fror solution" (Финляндия, 1989), на Всесоюзном семинаре по коллоидно химии и физико-химической механике пищевых дисперсных систе! (Москва, 1989).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научны

работ.

Общая структура и объем диссертации. Работа включает введение обзор литературы, экспериментальную часть, список литературы (16 ссылок) и приложение. Работа изложена на 146 страницах машинописног текста, содержит 36 писунков и 9 таблиц.

Работа выполнена в ПНИЛЭФМОПП Московского институт прикладной биотехнологии и в ИНЭОС им. А.Н.Несмеянова АН СССР.*)

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирован цель работы.

Обзор литературы посвящен методам оценки эмульсионных свойст

белков и состоит из 5 разделов. Первый из них посвящен поверхностны!

свойствам белка и их роли в процессе образования эмульсий. Во 2-

разделах рассмотрены теоретические представления об инверсии фаз

эмульсии, методы определения эмульгирующей способности, методь

*)В ИНЭОС АН СССР работа выполнялась при консультациях проф. В.Б.Толстогузова.

нованные на определении межфазной поверхности раздела и нижнего нцентрационного предела эмульгирования, а также методы определения |ульгирующей активности. Раздел 5 посвящен теоретическим едставлениям о стабильности эмульсий и методам ее оценки.

На основании анализа литературных данных сформулированы основные дачи исследования.

(спериментальная часть включает два раздела: методический и спериментальный. В первом разделе приведены характеристики объектов методические приемы, используемые в работе. Во втором разделе ложены и обсуждены результаты исследования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В качестве эмульгаторов в работе было использовано 30 верхностно-активных веществ, относящихся к различным классам: епараты альбумина сыворотки крови (АСК), комплексы альбумина шоротки крови с декстрансульфатом (АСК/ДС), сукцинилированные епараты кормовых бобов с различной степенью замещения, казеинат трия, /î-лактоглобулин, изоляты белка соевых бобов, 11S глобулин бобов и, 11S глобулин Vicia faba, концентраты рыбного белка, полученные зличными способами, Твин-80, олеат натрия, додецилсульфат натрия, 1Итон Х-305.

Для получения воспроизводимых результатов в качестве модельных 1сляных фаз использовали следующие чистые растворители: гептан, октан, !кан, чешреххлористый углерод (CCI4).

Для получения пищевых эмульсий использовали кукурузное масло.

Свойства белка как эмульгатора оценивались в точке инверсии фаз, !. в момент перехода прямой эмульсии в обратную при добавлении |сла с постоянной скоростью (v) к постоянному объему водной фазы (V). «ерсию наблюдали при постоянном перемешивании (в динамическом :жиме). В литературе точкой инверсии (F) называют долю или объем

масляной фазы (если объем водной фазы, как в нашем случг постоянный), при которой происходит инверсия. Для определения точ инверсии, которая фиксировалась по падению электропроводности, бы сконструирована установка и кювета для эмульгирования (рис.1).

Рис.1. Схема установки для определения точки инверсии фаз в эмульсии.

1. Кювета с лопастной мешалкой.

2. Электродвигатель.

3. Ременная передача.

4. Шкив мешалки.

5. СтаСилизатор.

6. Тахометр.

7. Регулятор скорости.

8. Электроды. Э. Вольтметр.

10. Шланг для подачи масла.

11. Насос.

12. Вясость для масла.

Диаметр кюветы 45 мм, высота 150мм, объем, водной фазы 5-7см .

Конструктивной особенностью этой установки является налич двигателя с электронным блоком стабилизации скорости вращения ва) Последний позволяет автоматически поддерживать постоянную скорос вращения мешалки (w) по мере приближения к точке инверсии, т несмотря на значительное возрастание вязкости эмульсии. Использован! оригинального приспособления для крепления кюветы показало, что так конструкция надежна и удобна в эксплуатации.

Распределение капель по размерам изучали методом оптическ микроскопии с использованием цифрового анализатора изображения LEI' TAS PLUS (ФРГ)- В качестве масляной фазы использовали смесь декг СС14 для уравнивания плотностей дисперсной фазы и дисперсионн среды с целью замедления седиментации капель эмульсии в образцах.

За меру устойчивости эмульсий к коалесценции и флотации бра

но эмульсии, не разрушившуюся при отстаивании в течение 24 часов 1 25С*. Объем эмульсии при этом был постоянным (25см3); долю еляной фазы варьировали от 5 до 95%

Концентрацию белка определяли по поглощению в УФ области зктра, микробиуретовым методом и методом Дюма. Содержание <странсульфата в комплексах определяли фенол-сернокислотным методом, личие жирных кислот в препаратах АСК определяли методом }>ференциальной сканирующей калориметрии на калориметре ДАСМ-1М

:ср).

Аппроксимацию методом наименьших квадратов изотерм инверсии нкцией гиперболического тангенса проводили на персональных лпьютерах с помощью написанной нами программы, алгоритм которой нован на итерации по одному из трех параметров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. отермы инверсии эмульсий и аппроксимирующие уравнения.

Зависимость точки инверсии от концентрации для большинства зерхностно-активных веществ (ПАВ) различных классов однотипна (рис.2) может быть описана функцией гиперболического тангенса: р " ро + (Ршах - Ф^С/С^, (1)

; т1т(хНехр(х}-ехр(-х))/(ехр(х)+ехр(-х)); Р- точка инверсии при концентрации пка С; Р = Р0 при С = 0; Ртах = предел эмульгирования; -Су2 -нцентрация белка, при которой Р - (Ршах + концентрация

пуэффекта; Ь=(1пЗ)/2 - 0,55. Аппроксимация изотерм инверсии авнением (1) дает возможность провести компьютерную обработку иных, найти основные параметры уравнения, рассчитать зактеристическую эмульгирующую способность (ЕС]) :

ЕС| - (1/У)*Пт (с!Р/с1С) - Ь*(Ртах - Р0)/(У*С1/г). (2)

с - О

г V - объем водной фазы

Объем маслянной фазы в точке инверсии

Р-Ро-КРтах-Ро)*1ЧЬ*С/С1/2)

1д(а)-ЕС(-(1/\0*11т(аР/с)С)

с - О

Си

1/2

Рис.2. Общий вид и параметры изотермы инверсии.

Концентрация белка

Объем маслянной фазы в точке инверсии, см5

РисЗ. Изотермы инверсии для эмульсий декана в растворах АСК (1) и казеината натрия (2) и ССЦ в растворе /3-лактогло-булина (3). Фосфатный буфер, рН=7, м=0Д. Условия эмульгирг вания: w=57 сек-1, у=76,7Ч0"3 см3/сек, У=5см'.

0,25 0,75

Концентрация белка, г/дм3

Величины Fmax- предела эмульгирования, С]/2 - концентрации юлуэффекта, EC¡ - характеристической эмульгирующей способности вляются характеристиками эмульсий. На практике для определения ¡редельной доли масляной фазы при получении концентрированных мульсий важным является параметр Fmax; параметр С1/2 и арактеризуют эффективность эмульгатора.

Изотермы инверсии для альбумина сыворотки крови, казеината натрия i fl-лактоглобулина.

Для альбумина сыворотки крови (АСК), 0-лактоглобулина и казеината 1атрия концентрационная зависимость точки инверсии резко отличается от 130терм инверсии для большинства других ПАВ: быстрое увеличение F на 1ачальном участке кривой сменяется падением при некоторой онцентрации, после чего следует обычная концентрационная зависимость рис. 3). (Для указанных белков параметры изотерм инверсии рассчитывали 1ля двух восходящих участков)

Следует отметить, что отличительной особенностью выше указанных ¡елков является их ярко выраженная способность к взаимодействию с 1еполярными веществами, обусловленная, очевидно, их биологической функцией (АСК и 0-лактоглобулин осуществляют транспорт жирных кислот, а азеин является стабилизатором молочного жира на начальных стадиях 1актации). Исходя из этого, особенности изотерм инверсии для указанных 5елков можно объяснить изменением реологических свойств их межфазных щсорбционных слоев (MAC) при переходе от моно- к полислойной щсорбции по мере увеличения концентрации белка, сопровождающимся 'меньшением контактов белок-масляная фаза и увеличением контактов ¡елок-белок в MAC. Действительно, из литературы известно, что при 'величении концентрации белка сдвиговая прочность MAC АСК и :азеината сначала растет, но выше определенной концентрации, :оответствующей завершению монослойной адсорбции, резко падает. Такое 1адение сдвиговой прочности не наблюдается для овальбумина и

комплексов АСК с декстрансульфатом, имеющих обычные изотермь инверсии.

Таким образом, особенности изотерм инверсии для выше указанны) белков, по-видимому, связаны с характером их взаимодействия с масляное фазой на поверхности раздела фаз в эмульсии, что указывает н; возможность использования изотерм инверсии для исследования этогс взаимодействия.

Параметры изотерм инверсии для различных белков

Параметры изотерм инверсии определены для ряда пищевых белков сукцинилированных препаратов изолята кормовых бобов, комплекса альбумина сыворотки крови с декстрансульфатом, низкомолекулярных ПА! (табл. 1). Сравнение величин указанных параметров, определенных дл разных объектов в одних и тех же условиях, показывает, что ohi изменяются в широких пределах в зависимости от природы белка ил! низкомолекулярных ПАВ.

Так для АСК и казеината натрия величина ECj для первого участк изотермы инверсии в несколько раз больше, чем для други немодифицированных белков, что говорит в пользу предположения сильном специфическом взаимодействии этих белков с масляной фазо при монослойной адсорбции. Кроме того, некоторыми авторами показан четкая корреляция между поверхностными свойствами, а такж эмульсионными характеристиками нативных белков, с одной стороны, и v поверхностной гидрофобностью - с другой. АСК и казенны, которы соответствуют большие значения ECj, имеют существенно большу; поверхностную гидрофобность (по литературным данным), чем 11S глобули бобов сои и яичный альбумин, который считают "эталоно гидрофильное™".

Таблица 1

Эмульсионные характеристики белков и ПАВ, рассчитанные из изотерм инверсии.

Объект Р°3 СМ3 гшах СМ3 с 1/2 г/дм3 ЕС1 дм3/г Станд. откл СМ3

Альбумин сыворотки крови*) 1-ый участок 2-ой участок 7.3 4.4 11,0 17)5 0,013 0,22 30 6,5 0,09 0,2

Казеин*) 1-ый участок 2-ой участок 6.3 3.4 18,1 32,8 0,04 0,42 32,4 7,* 0,4 0,6

Яичный альбумин*) 7,4 16,4 0,14 6,7 0,5 675

Соевый изолят Ч 7,7 14,5 0,10 7,3

ИБ^лобулин 7,1 14,95 0,135 5,5 0,4

Изолят кормо вых бобов степень сукц-ия*) 28% 65% 84% 98% 7,1 5,8 5 9 5,6 16,1 23,1 32,6 33,4 0,02 0,03 0,04 0,025 41,8 59,3 66,35 121,4 0,2 0,4 0,45 0,7

Комплексы сывороточного альбумина с декстран-сульфатом в соотношении**) 4:1 2:1 3:2 1:1 2:3 10,8 12,2 15,9 14,8 17,1 38,4 43,3 27,0 28,6 30,2 0,68 0,82 0,4 0,175 0,08 3,2 2,95 2,2 6.2 15,5- 0,8 0,4 0,55 0,35 0,5

Додецил-сульфат нат- > , Твин-80**) Тритон-Х305**) 5,8 8,8 6,2 21,6 22,5 20,5 0,13 0,13 0,11 13,3 11,7 15,0 0,55 0,5 0,6

*) **)Фосфатный буфер, рН 7,0: /»"0.1. Условия эмульгирования:

скорость подачи масляной фазы 76,7*10 Зсм3/сек; *1 скорость перемешивания 57 сек"}, объем водной фазы 5,0 см3; **)скорость перемешивания 83 сек-1, объем водной фазы 7см3.

Для сукцинилированных белков можно отметить систематический рост Fmax и ЕС; с увеличением степени сукцинилирования, а значит, как следует из литературных данных, с увеличением заряда и лабильности белковой молекулы.

Уменьшение содержания белка в составе водорастворимых комплексов АСК-декстрасульфат приводит к увеличению ЕС; при соотношениях 1:1 и 2:3. Из литературы известно, что при этих же соотношениях устойчивые эмульсии существуют при величинах адсорбции эмульгатора существенно ниже монослойной, что авторы объясняют более рыхлой конформацией комплекса с относительно низким содержанием АСК, способствующей полному разворачиванию молекулы комплекса на межфазной границе.

Таким образом, показано, что параметры изотерм инверсии чувствительны к природе белковой молекулы и к изменениям ее структуры в результате химической и физико-химической модификации. Это позволяет использовать указанные параметры для выбора способа и оптимизации процесса модификации с целью расширения круга белков, пригодных для производства пищевых эмульсий.

Влияние условий эмульгирования на положение точки инверсии.

Установлено (рис.4), что F линейно возрастает с увеличением обратной скорости перемешивания в диапазоне исследованных скоростей 17-117 1/сек. Такой характер зависимости позволяет привести данные, полученные при разных скоростях, к одной определенной (или к бесконечно большой) скорости.

Объем маслянной фазы в точке инверсии, см1

2,0 3.0 4.0 5,0 Рис.4. W СвК*10'

Объем маслянной фазы в точке инверсии, см1

15 10

О 0,05 О.Х 0,15

v; си'/сек

Рис.5.

2

Рис.4. Зависимость точки инверсии от обратной скорости" перемешивания при тосгоянной скорости подачи масляной фазы v=76,7*10~3 см3/сек. 1 - Эмульсия ХИ4 в растворе Твин-80, С =0,05 г/дм3; 2 - Эмульсия cci4 в растворе АСК, С = ),31 г/дм3; 3 - Эмульсия гептана в растворе комплекса АСК/ДС (весовое зтношение 23:1), С= 0,31 г/дм3; 4 - Эмульсия гептана в растворе Твин-80, С = ),05 г/дм3.

Рис.5. Зависимость точки инверсии от скорости добавления масляной фазы при тосгоянной скорости перемешивания w=83 сек"1. 1 - Эмульсия ССЬ в растворе Гвин-80, С =0,05 г/дм3; 2 - Эмульсия CCI» в растворе АСК, С= 0,25 г/дм3; 3 -Эмульсия гептана в растворе Твин-80, С = 0,05 г/дм3. 4 - Эмульсия гептана в застворе АСК , С= 0,25 г/дм3.

При увеличении скорости подачи масляной фазы от 17*10"3 до 150*10~3см3/сек величина F возрастает, а при скорости подачи больше 57см3*10"3/сек остается постоянной (рис.5).

Показано также, что величина F падает с ростом как плотности так и ¡язкости масляной фазы, которые варьировались с помощью изменения :оотношения компонентов в смеси гептан-четыреххлористый углерод. Напротив, почти двукратное повышение вязкости водной фазы (в результате дебавления сахарозы) не сопровождается существенными изменениями ¡еличины F.

Таким образом показано, что влияние основных технологических ]араметров (скорость перемешивания и скорость подачи масляной фазы) на :арактеристики эмульгирующих свойств белка может быть учтено юличественно.

Концентрационная зависимость дисперсности эмульсий, стабилизировании; альбумином сыворотки крови.

Для интерпретации изотерм инверсии представлялось необходимыл исследовать изменение поверхности раздела фаз и дисперсности эмульси( в зависимости от концентрации белка и доли масляной фазы Дисперсность эмульсий характеризовали удельной поверхностью раздел; (отношением поверхности раздела к объему масляной фазы, S/V) Установлено, что с увеличением доли масляной фазы в эмульсии стабилизированной альбумином сыворотки крови, при постоянной ег< концентрации поверхность раздела линейно растет. Естественж предположить, что этот рост продолжается вплоть до точки инверсии фа: и обусловлен увеличением количества капель масла.

Получены концентрационные зависимости удельной поверхносп эмульсий при доле масляной фазы 10 и 40%, взятой от точки инверсш на соответствующей изотерме (рис.6 ). Из рис.6 видно, что удельна: поверхность заметно растет до концентрации белка 0,25 г/дм3, а зате> остается постоянной (при доле масляной фазы 10%), или слабо растет (npi доле масляной фазы 40%).

При уменьшении концентрации белка изменяется характе| распределения капель эмульсии по размерам (рис.7): начиная с некоторо! концентрации (гистограммы 3-6) появляется фракция крупных капель средний размер которых увеличивается при уменьшении концентраци! белка. По-видимому, при концентрации ниже С* белка не xeaiaeT дл эмульгирования всего объема масляной фазы, однако получаемая при эк» стабильная часть эмульсии характеризуется более высокой удельно! поверхностью. Высказано предположение, что этот эффект связан необратимой адсорбцией при заполнении межфазного монослоя,

S/V I/CM

5001

000

500

• - с учетом больших капель при

расчете S/V ■ О- без учета больших капель при расчете S/V

-А- Ю* - 40%

Рис.6.Зависимо с ть удельной поверхности раздела от концентрации АСК для эмульсии смеси сс14-декан при долях масляной фазы 10 и 40* от точки инверсии. Фосфатный буфер, рН 7,0; (1=0,1; Условия эмульгирования: ^^бвсек"1; v=76,7*I0~3cм3/ceк;

v=7cм3.Номера точек соответствуют номерам гистограмм распределения капель по размерам на рис.7.

С" 0,5 I 1.5

Концентрация белка; г/дм3

Рис.7. Гистограммы рапределения капель эмульсии по размерам при »>=0,4. Концентрация белка:

1 - 1,3г/дмэ;

2 - 0.6г/дм3;

3 - 0,4г/дм3;

4 - 0,25г/дм3;

5 - 0,2г/дм3;

6 - 0,1г/дм3.

25 50

О 25 50 75 100

Диаметр капель эмульсии; мкм.

о

что приводит к неравномерному распределению белка между каплями эмульсии. Очевидно, что с увеличением доли масляной фазы концентрационный порог С , а следовательно и диапазон концентрации, в котором наблюдается рост дисперсности, будут увеличиваться. (При доле масляной фазы в эмульсии более 40% анализ дисперсности затруднен.) Можно предположить, что в конечном счете (вблизи точки инверсии] концентрационные «профили дисперсности и точки инверсии будут совпадать. С другой стороны, рост дисперсности должен сопровождаться уменьшением F. Поэтому рост F с увеличением концентрации белка можно объяснить быстрым возрастанием числа капель эмульсии, перекрывающим эффект увеличения дисперсности.

Взаимосвязь параметров изотерм инверсии с адсорбционными свойствами белка.

Известно, что абсолютной характеристикой эмульгирующих свойсте белка является критическая величина адсорбции 1\р, ниже которой не могут существовать MAC, стабилизирующие эмульсию. Это находит свое отражение на изотермах инверсии. С одной стороны, в отдельных случая> на них можно наблюдать начальный участок, для которого F-F„, т.е влияние белка не проявляется (рис.8). Рост F начинается с некоторое концентрации СКр, которой соответствует Г^ (при данных условия> перемешивания). Как правило, величина Скр очень мала и не проявляете; на изотермах инверсии. С другой стороны, в любой точке изотермь инверсии величина адсорбции достигает своего критического значения, чте приводит к обращению фаз в эмульсии. Очевидно, что чем больше концентрация белка, тем при большей величине предельной поверхности раздела. Sm и, соответственно, при большей величине F достигается критическая величина адсорбции. Изложенные выше соображения привела к следующему соотношению между начальным наклоном изотермь инверсии (ЕС;) и критической величиной адсорбции Г '

% г'_£_ г____

-4 0 %

-20

-60

%

т т - (1 -1 I

20 60 40 80 20 60

Рис.10. Диаграммы стабильности для различных концентраций АСЮ а) - 0,025г/дм3; б) - 0,05г/дм3; в) -0,075г/до3; г) - О Л г/дм3; д) - 0,15г/дм3; е) - 0,2г/дм3. Фосфатный буфер, рН 7,0; и=0,1. Условия эмульгирования: скорость перемешивания «=5706^*; у=76,7*Ю"3см3/сек.

50

25

Л

а.

г*

—»-

^ с

50 50

25 25

Л

б.

0,1 0,2

Концентрация белка г/дм3

Концентрация белка г/да3

5 10 • Концентрация белка г/дм3

Рис.II. Зависимости относительной площади на диаграмме стабильности, соответствующей неразрушевшейся эмульсии (б), и исходной доли декана, при которой происходит резкое падение стабильности эмульсии (г'), от концентрации бежа, а) альбумин сыворотки крови; б) изолят белка соевых бобов; в) яичный альбумин. Фосфатный буфер, рН 7,0; ц=0,1. Условия эмульгирования; скорость перемешивания «=57сек~'; у=76,7*Ю~3см3 /сек.

неотделившихся масляных и водных фаз от всего их количества в системе (ВС/АС и СО/СО, сооветственно).

Для всей совокупности эмульсий, описываемых данной диаграммой, общей характеристикой устойчивости (к коалесценции и флотации) может служить относительная площадь 8, соответствующая нерасслоившейся в условиях испытания эмульсии. Характеристиками устойчивости к коалесценции и флотации могут служить части площади 5 над и под диагональю диаграммы, соответственно.

С помощью диаграмм стабильности оценивали стабильность модельных эмульсий декана в водных растворах АСК, овальбумина и глобулиновой фракции белков сои. Серия таких диаграмм, полученных для нескольких концентраций АСК, приведена на рис.10. Данные по остальным диаграммам обобщены в виде зависимостей в И Р' от концентрации белка (рис.11) Диаграммы стабильности (рис.10) и графики на рис.11 показывают, что стабильность эмульсий достигает предела при определенной концентрации белка (СД Как видно из табл.2 величина С5 сильно различается для трех выбранных белков. Существенно, что величины С$ и определенные из изотерм инверсии, находятся в соответствии друг с другом: чем выше С5, тем выше Су2 (для ДСК имеется в виду Су2 для первого участка). Полученные результаты показывают, что наиболее стабильные эмульсии могут быть получены в растворах овальбумина (при достаточно высоких его концентрациях). Напротив, влияние концентрации белка на стабильность эмульсий (с15/ЬС) наиболее ярко выражено в случае АСК.

ECj-dF/dC-@*V/rKp, где @=F/S°° - показатель, характеризующий дисперсность эмульсии, V -объем водной фазы. Т.о. установлено соответствие между параметром изотермы инверсии ЕС) и величиной критической адсорбции Гкр. Это позволяет использовать изотермы инверсии для изучения адсорбционных свойств белков.

Метод оценки стабильности эмульсий с помощью диаграмм стабильности.

Предложен метод диаграмм, в котором стабильность эмульсий (ES) представлена как функция доли масляной фазы при постоянном объеме эмульсии. На рис.9 приведен общий вид диаграммы стабильности эмульсии. По оси абсцисс откладывается исходная доля масляной фазы в эмульсии; по оси ординат: слева снизу вверх - долю отделившейся водной фазы, справа сверху вниз долю отделившейся масляной фазы. Вертикальное сечение диаграммы дает представление о соотношении отделившихся фаз в эмульсии выбранного исходного состава. Очевидно, что в случае полного распада эмульсий, экспериментальные точки ложатся на диагональ.

Из диаграммы получали следующие количественные характеристики эмульсий:

1) исходную долю масляной фазы, при которой начинается отделение масляной фазы - точка К на диаграмме;

2) исходную долю масляной фазы, при которой происходит резкое уменьшение стабильности эмульсий - точка F' на диаграмме, которая характеризует эмульсию вблизи точки инверсии в статическом режиме.

Кроме того, для каждого произвольно взятого сечения на диаграмме определяется:

3) объемная доля масляной фазы в концентрированной эмульсии BC/BD;

4) устойчивость эмульсии к коалесценции и флотации - доля

Объем маслянной фазы в точке инверсии, см1

Концентрация белка, г/дм3

Рис.8. Изотерма инверсии эмульсии декана в растворе сукцинилирован-ного изолята кормовых бобов (степень замещения лизина 15%). Фосфатный буфер, рН=7, д=0,1. Условия эмульгирования: у=76,7*10"3 см3/сек, \у=58 сек"1, V =7см3

100*

К А ?

100%

Рис.9. Общий вид диграммы стабильности эмульсии

100%

Исходная об'емная доля масляной фазы.

Таблица 2

Характеристики устойчивости эмульсии к коалесценции и флотации.

Обьект

dS/dC EC¡ Cs С1/2 дм3/г г/дм3 г/дм3

Альбумин сыворотки кровис 2818

30 0,09 0,013

Соевый изолят 741 7,3 0,46 0,10

Яичный альбумин 54 6,7 >10,0 0,14

Фосфатный буфер рН 7,0, ионная сила 0,1М. Условия эмульгирования: корость перемешивания 57 1/сек, скорость подачи масляной фазы 6,7*10"3см 3/сек, объем эмульсии 25см3.

!рименение методов определения эмульсионных свойств белков в рактических 'целях.

Разработанные методы используются в нескольких научно-сследовательских институтах нашей страны, а также в Центральном нституте питания АН ГДР (Потсдам).

В частности, эти методы применялись при решении следующих рактических задач.

1. Для оценки эмульсионных свойств глобулинов бобов сои, одифицированных методом термоденатурации в водно-этанольных астворах (ИНЭОС АН СССР). Результатом явилась разработка эхнологического процесса получения изолята белков сои с высокими мульгирующими характеристиками, используемого при производстве ягкого мороженого, безмолочных лечебных смесей для детского питания

эмульсий для вареных колбас.

2. Для оценки эмульсионных свойств препаратов рыбного белка, ыделяемого из промывных вод при производстве фарша "Сурими" в виде ерастворимого комплекса с кислым полисахаридом (ВНИРО Минрыбхоза ССР). При этом эмульсионные свойства являлись одним из показателей елесообразности использования белка для производства пищевых ■иульсий. Кроме того, контроль за эмульсионными характеристиками эзволил оптимизировать процесс выделения белка.

3. Для изучения влияния химической модификации на эмульгирующие свойства белка хлопчатника и для исследования влияния способа сушки пищевого белка хлопчатника, рН среды и различных видов обработки на его эмульгирующие свойства (Институт химии растительных веществ АН УзССР). Результаты исследований позволили оптимизировать процесс выделения белка с целью его использования в производстве заменителей цельного молока в животноводстве.

4. В Одесском технологическом институте пищевой промышленности предложенные методы использовали для изучения влияния некоторых технологических параметров процесса выделения пищевого белка из кормового люпина на его эмульгирующие свойства. Последние служили критерием эффективности использования препаратов белка из кормового люпина в производстве комбинированных продуктов питания, имеющих е своем составе эмульсии.

5. Разработанные методы включены в следующие лабораторные курсы "Изучение функциональных свойств белковых компонентов мясны> продуктов" для студентов специальностей 27.08 и 27.10 в Mocкoвcкo^ институте прикладной биотехнологии на кафедре технологии мяса 1< мясопродуктов. "Определение эмульгирующей активности биополимеров' для студентов специальности 02.00.11 на кафедре коллоидной химии ! Московском институте тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Концентрационные зависимости точки инверсии фаз эмульсий дл! большинства ПАВ (белковых и небелковых) однотипны и имеют вид кривы: с насыщением, которые могут быть аппроксимированы уравнениег. гиперболического тангенса. Эмульгирующие свойства белков предложен! характеризовать параметрами аппроксимирующего уравнения характеристической эмульгирующей способностью, концентрацие! полуэффекта, пределом эмульгирования.

2. Показано, что влияние условий эмульгирования (скорости шремешивания, скорости подачи масляной фазы, плотности и вязкости ;исперсной фазы и вязкости дисперсионной среды) на перечисленные 1ыше параметры может быть учтено количественно.

3. Изотермы инверсии для альбумина сыворотки крови, казеината 1атрия и 0-лактоглобулина резко отличаются от типичных. Высказано федположение, что немонотонный характер изотерм инверсии связан с »собенностями взаимодействия этих белков с масляной фазой.

4. Показана взаимосвязь параметров изотерм инверсии с щсорбционными свойствами белка, что дает возможность использовать 13отермы инверсии для изучения этих свойств.

5. Устойчивость эмульсий, стабилизированных белками, предложено щенивать с помощью диаграмм стабильности, используя при этом :арактеристики, независящие от доли масляной фазы и концентрации >елка.

6. Предложенные методы использованы для совершенствования радиционных и новых технологий производства пищевых продуктов, 1меющих в своем составе эмульсии, а также для совершенствования ехнологий выделения пищевого белка. Методы включены в лабораторные :урсы по изучению эмульсионных свойств белков и других биополимеров.

Эсновпые материалы диссертации опубликованы в следующих работах.

. Gurov АЛ, Mukhin MA, Larichev NA, Lozinskaya N.V, Tolstoguzov V.B. emulsifying properties of proteins and polysaccharides. Method of determination of imulsifying capacity and emulsifying stability.// Colloids and Surfaces, 1983, v.6, N1, >p35-42.

!. Гуров АЛ, Лозинская НЛ, Мухин MA, Ларичев НА, Толстогузов В.Б. Новые методы оценки эмульгирующих свойств белков.// Всесоюзное совещание Физическая химия структурирования пищевых белков": Тез. докл. Таллин, 1983,

3. Лозинская Н.В. Эмульгирующие и пеносгабилизирующие свойства белков.// Всесоюзное совещание "Физическая химия структурирования пищевых белков" Тез. докл. Таллин, 1983, с58.

4. Anderson О, Gurov Ají, Gurova N.V, Schmandke H, Tolstoguzov V.E Emulsifying properties of Vicia faba globulins.// Acta Alimentaria. 1985, v.14, № pp.367-377.

5. Gurova N.V, Gurov A.N, Tolstoguzov VB. Estimation of emulsifying properties о proteins and their complexes with anionic polysaccharides.// Nahrung, 1986, v30, N3/4 pp.424428.

6. Гурова HJ5, Гуров АЛ. Влияние анионных полисахаридов на эмульгирующи! характеристики растительных белков. //Всесоюзна^ конференция "Новы' источники пищевого белка": Тез. докл, Кобулети, 1987, с. 55.

7. Гурова НД Гуров АН, Токаев Э.С, Тишонкова В.И, Рогов ИА. Дисперсност и реологические характеристики прямых эмульсий, стабилизированных смесям] соевого белка и анионных полисахаридов.// Всесоюзная конференция "Новы источники пищевого белка": Тез. докл, Кобулети, 1987, с.56.

8. Гурова Н.В, Гуров АЛ, Толстогузов В.Б. Концентрационная зависимость точк! инверсии фаз как характеристика эмульгирующих свойств белков. 1."Нормальны кривые".// Депон в ВИНИТИ, 1988, N7188-B88, 31 стр.

9. Гурова Н.В, Гуров АЛ, Приймак ГА, Токаев Э.С, Толстогузов B.I Концентрационная зависимость точки инверсии фаз как характеристик эмульгирующих свойств белков. 2.Бычий сывороточный альбумин и казеин./ Депон. в ВИНИТИ, 1988, N7188-B88, 25 стр.

10. Gurova N.V, Gurov AJÍ, Tokaev A.S. Nuss P.V. Emulsion inv. :sion and i! relation to the protein-nonpolar phase interaction.//"EUCHEM Workshop о adsorption of surfactants and macromolecules from solution", 1989, Finland, Abstr,p.l

Заказ 93 Тираж 100

_Формат 60x84/16 - 1,5 п.л. - 1,56 уч.-изд.л._

Механизированное множительное производство ВНИКИМПа