[2018/Nr 3] Ocena właściwości sorpcyjnych wybranych handlowych błonników o smaku owocowym

Millena Ruszkowska, Monika Matusik

OCENA WŁAŚCIWOŚCI SORPCYJNYCH WYBRANYCH HANDLOWYCH BŁONNIKÓW

O SMAKU OWOCOWYM Katedra Towaroznawstwa i Zarządzania Jakością

Akademia Morska w Gdyni

Kierownik: prof. dr hab. inż. P. Przybyłowski

W pracy dokonano oceny właściwości sorpcyjnych handlowych błonników o smaku owocowym. W badanych produktach oznaczono początkową zawartość i aktywność wody oraz wyznaczono izotermy sorpcji w temp. 20°C, w zakresie aktywności wody aw = 0,07÷0,93. Na podstawie równania Brunauera, Emmeta

i Tellera (BET), (0,07 ≤ aw ≤ 0,33), obliczono pojemność warstwy

monomoleku-larnej oraz powierzchnię właściwą sorpcji. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że badane produkty odznaczały się zróżnicowanym po-ziomem początkowej zawartości i aktywności wody. Przeprowadzona ocena przebiegu izoterm sorpcji oraz ocena wybranych parametrów mikrostruktury, które decydują o jego stabilności przechowalniczej i bezpieczeństwie mikro-biologicznym wykazała, że najwyższą trwałością przechowalniczą uwarunko-waną pojemnością warstwy monomolekularnej odznaczał się błonnik owocowy o smaku truskawkowym.

Hasła kluczowe: błonnik owocowy, aktywność wody, izoterma sorpcji, BET. Key words: fruit fi ber, water activity, sorption isotherm, BET.

W ostatnich latach dostrzega się tendencję poszukiwania nowych źródeł błonnika pokarmowego, które mogą być stosowane jako składniki w żywności o zróżnico-wanych właściwościach funkcjonalnych bądź mogą stanowić jednoskładnikowe specjalne preparaty wysokobłonnikowe przeznaczone do bezpośredniego spożycia przez konsumentów. Na rynku znajduje się wiele preparatów błonnikowych po-zyskiwanych podczas przetwarzania żywności w postaci produktów odpadowych przemysłu zbożowo-młynarskiego i owocowo-warzywnego. Preparaty zbożowe cechują się wysoką zawartością błonnika nierozpuszczalnego, a także β-glukanów, dlatego też pobudzają perystaltykę jelit oraz skracają czasu pasażu treści przez przewód pokarmowy. Z kolei preparaty pozyskiwane z owoców i warzyw cechują się stosunkowo dużą zawartością błonnika rozpuszczalnego, wpływają, więc na zmniejszenie poziomu glukozy we krwi oraz na gospodarkę lipidową.

W związku z powyższym celem prowadzonych badań była ocena właściwości sorpcyjnych wybranych preparatów wysokobłonnikowych dostępnych w handlu detalicznym na podstawie oceny przebiegu izoterm sorpcji oraz oceny wybranych parametrów mikrostruktury, które decydują o jego stabilności przechowalniczej i bezpieczeństwie mikrobiologicznym.

MATERIAŁ I METODY

Materiałem badawczym były cztery preparaty wysokobłonnikowe, błonnik o smaku truskawkowym (I), błonnik o smaku śliwki wędzonej (II), błonnik o sma-ku morelowym (III) oraz błonnik o smasma-ku jabłkowym (IV), zasma-kupione w sklepie ekologicznym na terenie Trójmiasta. Cechy jakościowe handlowych wysokobłonni-kowych preparatów owocowych charakteryzowano w oparciu o określenie począt-kowej zawartości wody, aktywność wody w aparacie AquaLab Seria 3 model TE. Ocenę właściwości sorpcyjnych przeprowadzono metodą statyczno-eksykatorową na podstawie charakterystyki przebiegu izoterm sorpcji pary wodnej, wyznaczo-nych w temp. 20±1ºC, przez okres 30 dni. W doświadczeniu wyznaczania izoterm sorpcji pary wodnej, wykorzystano szeroki zakres aktywności wody umożliwiający odzwierciedlenie różnorodnych warunków przechowywania wyrobów wysokobłon-nikowych w środowisku o aktywności wody aw = 0,07÷0,92, regulowanej za

pomo-cą nasyconych roztworów soli (1). Wszystkie oznaczenia przeprowadzano w trzech powtórzeniach. Na podstawie początkowej masy produktu oraz zmian zawartości wody obliczono równowagowe zawartości wody i wykreślono izotermy sorpcji z zastosowaniem programu EXCEL. Empirycznie uzyskane izotermy stanowiły podstawę opracowania charakterystyki właściwości sorpcyjnych z wykorzystaniem równania Brunauera, Emmeta i Tellera (BET) (1, 2, 3).

a = _{(1 – a} vm caw

w) [1 + (c – 1) aw] (1)

gdzie: a – adsorpcja (g/100 g s.m.); vm – zawartość wody w monowarstwie (g/100

g s.m.); c – stała energetyczna (kJ/mol); aw – aktywność wody (–).

Znając objętość pary zaadsorbowanej w temperaturze niższej od temperatury wrzenia tzw. powierzchni siadania, czyli powierzchnia zajmowana przez jedną czą-steczkę pary przy założeniu, że ma ona kształt kulisty (4) obliczono powierzchnię właściwą produktów w oparciu o równanie:

asp = ω vm

M N (2)

gdzie: asp – powierzchnia właściwa sorpcji (m2_{/g), N – liczba Avogadra (6,023·10}23 cząsteczek/mol), ω – powierzchnia siadania wody (1,05·10–19 _m2_{/cząst.), M – masa} cząsteczkowa wody (18 g/mol).

Ta b e l a I. Skład chemiczny badanych produktów Ta b l e I. The chemical composition of the tested products

Parametr I II III IV

Wartość odżywcza w 100 g

Wartość energetyczna (kJ/kcal) 1381/329 1352/322 1381/329 1381/330 Tłuszcz (g)

– w tym kwasy tłuszczowe nasycone (g)

1,3 1,3 0,9 0,2 1,3 1,3 1,3 1,3 Węglowodany (g) – w tym cukry (g) 62 54 60,6 25,2 62 54 62 54 Błonnik (g) – w tym rozpuszczalny (g) – w tym nierozpuszczalny (g) 30,0 7,5 22,5 30,0 6,8 23,2 30,0 7,5 22,5 30,0 7,5 22,5 Białko (g) 2,3 2,8 2,3 2,3 Sól (g) 0,5 <0,1 0,5 0,5

Źródło: na podstawie danych z opakowania / Source: based on data from the packane

WYNIKI I ICH OMÓWIENIE

Woda jest jednym z podstawowych składników żywności, decyduje o wyglądzie oraz smaku produktów spożywczych, pełni główną rolę w kształtowaniu właści-wości fi zycznych, chemicznych oraz biochemicznych żywności. Wpływa także na stabilność jakości mikrobiologicznej żywności oraz jej podatność na degradację uwarunkowaną czynnikami fi zycznymi (np. dyfuzja), chemicznymi (np. hydroliza) czy biochemicznymi (np. hydroliza enzymatyczna) (5). Na podstawie oceny po-czątkowej zawartości wody w badanych produktach I–IV stwierdzono, że najniższą zawartością i aktywnością wody odznaczał się preparat II o smaku wędzonej śliwki (tab. II). Najwyższą początkową zawartością wody odznaczał się błonnik o smaku jabłkowym, a najwyższą aktywnością wody błonnik o smaku truskawkowym (I). W licznych pracach stwierdzono, że aktywność wody może mieć znacznie większe znaczenie w kształtowaniu jakości i stabilności żywności niż całkowita zawartość wody. Wybór aktywności wody zamiast zawartości wody, jako parametru referen-cyjnego ma większe znaczenie aplikacyjne w przetwarzaniu i przechowywaniu żywności, co wynika z roli aktywności wody jako: wyznacznika rozwoju

drob-Ta b e l a II. Początkowa zawartość wody i aktywność wody w badanych produktach Ta b l e II. The initial water content and water activity of tested products

Produkt Zawartość wody (g /100 g s.m.) SD Współczynnik zmienności Aktywność wody (–) SD Współczynnik zmienności I 3,3473 0,020 0,018 0,236 0,038 0,685 II 2,7713 0,046 0,113 0,155 0,020 0,278 III 3,3491 0,052 0,121 0,200 0,019 0,197 IV 3,3984 0,062 0,168 0,230 0,025 0,314

noustrojów, czynnika decydującego o większości reakcji degradacji o charakterze fi zycznym, chemicznym i biochemicznym, parametru decydującego o migracji wilgoci w żywności heterogennej, parametru łatwego do zmierzenia i nie przyczy-niającego się do destrukcji próbki, jak również pozwalającego na oszacowanie po-jemności monowarstwy, wskazującej na optymalną zawartość wody w utrwalonych przez suszenie produktach spożywczych (6). Otrzymane wartości aktywności wody produktów gwarantowały ich stabilność mikrobiologiczną. Porównując uzyskane wyniki do wyników uzyskanych przez innych autorów stwierdzono, że badane pro-dukty odznaczały się niższym poziomem zawartości i aktywności wody niż badane przez Miastkowskiego i współpr. (7) błonniki kakaowe.

Źródłem wielu cennych informacji dotyczących stanu wody w materiale są izotermy sorpcji. Izoterma sorpcji obrazuje grafi czną zależność między masą wody przypadadającą na jednostkę masy suchej substancji w stanie równowagi wilgotnościowej i aktywnością wody w określonej, stałej temperaturze. Izotermy sorpcji badanych produktów błonnikowych przedstawiały proces sorpcji fi zycznej zachodzący na ciałach porowatych i cechowały się kształtem sigmoidalnym wyka-zując podobieństwo do izoterm typu II (ryc. 1), w klasyfi kacji Brunauera i współpr. (8). Oceniając przebieg izoterm sorpcji stwierdzono, że w zakresie aktywności wody

aw=0,07÷0,11 w produktach I i III zachodził proces desorpcji. W produkcie IV proces

desorpcji obejmował szerszy zakres aktywności wody aw=0,07÷0,23, a w produkcie

I proces desorpcji dotyczył jedynie aktywności wody aw=0,07 (ryc. 1). Analiza

gra-fi cznego przebiegu izoterm sorpcji wykazała że w II i III obszarze izoterm sorpcji obejmującej zakres sorpcji wielowarstwowej i kondensacji kapilarnej we wszystkich ocenianych produktach zachodził proces adsorpcji wody (ryc. 1). Najwyższą równo-wagową zawartością wody w środowisku o aw=0,98 odznaczał się błonnik o smaku

morelowym. Na podstawie przeprowadzonej oceny grafi cznego przebiegu izoterm sorpcji przypuszczać można, że różnice w równowagowej zawartości wody w ocenia-nych produktach determinowane były początkową zawartością i aktywnością wody, bo-wiem różnica potencjałów prawdopodobnie stanowiła siłę napędową procesu sorpcji.

Ryc. 1. Izotermy sorpcji badanych produktów I–IV. Fig. 1. The sorption isotherms of the tested products I–IV.

W celu oszacowania wybranych parametrów mikrostruktury powierzchni oraz przebiegu zjawiska sorpcji empirycznie wyznaczone izotermy sorpcji wody pod-dano transformacji zgodnie z modelem BET, w zakresie aw=0,07÷0,33. Parametry

równania BET: pojemność monowarstwy vm, stałą energetyczną C i aktywność

wody przedstawiono w tab. III.

Ta b e l a III. Parametry równania BET, badanych produktów oraz powierzchnia właściwa sorpcji Ta b l e III. The BET equation parameters, test products and the specific surface area of sorption

Produkt vm C aw R2 asp (m2/g) FitStdErr Fstat

I 4,3576 13,471 0,244 0,984 153,101 0,2869 76,5190 II 2,8568 53,848 0,217 0,969 100,371 0,3512 12,0339 III 4,2489 18,523 0,240 0,981 149,278 0,3240 50,6972 IV 3,8797 21,369 0,223 0,910 136,310 0,6227 11,6088

Źródło: Zestawienie własne / Source: Own correlation

Wyznaczone wartości monowarstwy vm mieściły się w zakresie od 2,8568 do

4,3576 g H2O na 100 g suchej masy produktu (tab. III). Najwyższą pojemnością monowarstwy odznaczał się błonnik I, przy czym wykazywał on również najniższą wartość stałej C (13,471), co wskazywało na najmniejszą ilość ciepła uwalnianego z produktu w procesie adsorpcji (tab. III), a woda wypełniająca monowarstwę ce-chowała się również najwyższą aktywnością (aw=0,244) w porównaniu z badanymi

błonnikami II–IV.

Oszacowane wartości pojemności monowarstwy vm na podstawie modelu BET

stanowiły podstawę do obliczenia powierzchni właściwej sorpcji. Na podstawie przeprowadzonej charakterystyki strukturalnej badanych surowców stwierdzono, że największą powierzchnią właściwą sorpcji cechował się błonnik o smaku tru-skawkowym (153,101 m2_/g).

PODSUMOWANIE

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że najwyższą początkową zawartością wody odznaczał się produkt IV – błonnik jabłkowy, natomiast aktywno-ścią wody produkt I – błonnik truskawkowy. Wszystkie otrzymane izotermy sorpcji wykazywały ciągłość przebiegu w całym zakresie, co oznaczało, że w żadnej z ba-danych prób nie nastąpiło zjawisko krystalizacji amorfi cznej matrycy. Najwyższą zawartością wody w środowisku o aktywności wody aw= 0,92 odznaczał się błonnik

morelowy III. Zastosowanie izotermy sorpcji w badaniach nad stabilnością przecho-walniczą i bezpieczeństwem żywności głęboko odwodnionej, opiera się na szaco-waniu pojemności warstwy monomolekularnej (vm). Woda tworząca tę warstwę jest optymalną zawartością wody dla produktów suchych. Obecność wody w takiej ilości nie przyczynia się do inicjowania reakcji o charakterze hydrolitycznym lub oksyda-cyjnym (9). Zatem oceniając handlowe błonniki o smaku owocowym stwierdzono, że najwyższą trwałością i stabilnością przechowalniczą uwarunkowaną pojemnością warstwy monomolekularnej charakteryzował się błonnik o smaku truskawkowym (I).

M. R u s z k o w s k a, M. M a t u s i k

THE EVALUATION OF SORPTION PROPERTIES OF SELECTED COMMERCIAL FIBERS OF FRUIT TASTE

S u m m a r y

Introduction. In recent years, there has been a tendency to look for new sources of dietary fi ber,

which can be used as ingredients in foods with different functional properties or can be a one-component special high-fi ber preparations intended for direct consumption by consumers. There are many fi ber preparations on the market obtained during food processing in the form of waste products from the cereal-milling and fruit-vegetable industries.

Aim. The aim of the research was to assess the sorption properties of selected high-fi ber preparations

available in retail trade based on the assessment of the sorption isotherms course and the assessment of selected microstructure parameters that determine its storage stability and microbiological safety.

Material and methods. The research material consisted of four high-fi ber preparations, cellulose

fi ber (I) fi ber, smoked (II) fi ber fi ber, apricot-fl avored fi ber (III) and apple-fl avored fi ber (IV), pur-chased at an ecological store in the Tri-City. In the tested products the initial water content and activ-ity were determined and sorption isotherms were determined at 20°C, in the range of water activactiv-ity

aw=0.07÷0.93. Based on the Brunauer equation, Emmet and Teller equation (BET), the volume of the

monomolecular layer and the specifi c surface area of sorption were calculated in the range of water activity 0.07≤ aw <0.33.

Results. Based on the conducted tests, it was found that the highest initial water content was

char-acteristic for product IV – apple fi ber, whereas for product activity – strawberry fi ber. All obtained sorption isotherms showed continuity of the course in the entire range, which meant that in none of the tested samples the amorphous crystallization of the matrix occurred. The highest water content in the environment with water activity aw=0.92 was characterized by apricot fi ber III. The use of a

sorp-tion isotherm in studies on storage stability and the safety of deeply dehydrated food is based on the estimation of the capacity of the monomolecular layer (vm). The water forming this layer is the optimal

water content for dry products. The presence of water in this amount does not contribute to the initia-tion of hydrolytic or oxidative reacinitia-tions

Conclusions. When assessing commercial fi bers with a fruit fl avor, it was found that the highest storage

stability due to the capacity of the monomolecular layer was characterized by strawberry fi ber (I) fi ber.

PIŚMIENNICTWO

1. Krełowska-Kułas M.: Badanie jakości produktów spożywczych. PWE, Warszawa, 1993. –

2.Tysz-kiewicz S.: Aktywność wody produktów spożywczych. Defi nicja. Metoda bezwzględnego pomiaru.

Wzorce. Przemysł Spożywczy, 1987; 2: 51-53. – 3. Ościk J.: Adsorpcja. PWN, Warszawa, 1999. – 4.

Paderewski M.: Procesy adsorpcyjne w inżynierii chemicznej. WNT, Warszawa, 1999. – 5. Pałacha Z.: Aktywność wody – ważny parametr żywności. Przemysł Spożywczy, 2007; 62: 4, 22-26. – 6. Maltini E., Torreggiani D., Venir E., Bertolo G.: Water activity and the preservation of plant foods.

Food Chemistry, 2003; 82: 79-86. – 7. Miastkowski K., Bakoniuk J.R., Czaplicka M., Obidziński S.: Charakterystyka wiązania wody przez błonnik kakaowy. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 2015; 1: 15-19. – 8. Brunauer S., Emmet P.H., Teller E.: Adsorption of gases in multilayer’s. Journal of the American Chemical Society, 1938; 60: 309-319. – 9. Ocieczek A., Skotnicka M., Kłopotek K.: Właściwości higroskopijne pyłku kwiatowego (obnóży pszczelich) jako czynnik jego bezpieczeństwa i stabilności przechowalniczej. Problemy Higieny i Epidemiologii, 2015; 96(4): 821-826.