BADANIE UDZIAŁU WODY WYMROŻONEJI NIEWYMROŻONEJ PO ZAMROŻENIU ROZTWORÓWMODELOWYCH SACHAROZY BEZ DODATKUI Z DODATKIEM SUBSTANCJI OCHRONNYCH

(1)

1 Praca naukowa finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w latach 2010–2013.

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 związ- ków 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 głów- ną przyczyną znacznego spowolnienia reakcji mikrobiologicznych i chemicznych [B^ETLIŃSKI i B^ONCA 2000]. 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 przechowy- wania [LEWICKI 1999; WOLFE i in. 2002].

Istnienie wody niewymrożonej w zamrożonym produkcie jest prawdopodobnie spowodowane trzema czynnikami. Do czynników tych zaliczamy obecność substancji rozpuszczonych w produkcie, makrocząsteczek, błon komórkowych i in- nych struktur hydrofilowych oraz wzrost lepkości układu niewymrożonego [W^OLFE i in. 2002].

Obniżenie temperatury krioskopowej roztworu (freezing point depression) w stosunku do czystego rozpuszczalnika wyraża się wzorem Raoulta [G^RUDA i P^O-

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).

(2)

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 [K^AMIŃSKA i L^EWICKI 2005].

Głównymi metodami pomiaru ilości wody wymrożonej są metody kaloryme- tryczne, 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:

1 ^cr

e

T ω = − T 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 wyno- si 0,55 g·g^–1, w skrobi kukurydzianej 0,35 g·g^–1, a w kolagenie 0,26 g·g^–1 [L^EWICKI 1999; WOLFE i in. 2002].

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 –20°C) roztwo- rów sacharozy o zróżnicowanym stężeniu (30 i 40%), jako układów modelowych, opisując istnienie ścisłej współzależności między wartościami temperatury krioskopowej, końcowej i stopniem zagęszczenia roztworu a zawartością wody niewy- mrożonej w produkcie.

Materiał i metody Metody technologiczne

Roztwory sacharozy sporządzono w dwóch wariantach stężenia (30 i 40%), w ilości 400 ml każdy (cukier Diamant plus woda destylowana). Poza wariantem podstawowym roztworów modelowych (30 i 40%) przygotowano roztwory o tym samym stężeniu z dodatkiem substancji mających działanie ochronne (przed nad- mierną krystalizacją i rekrystalizacją). Dodano:

– kappa karagen (KK) w ilości 0,005% masowych całości roztworu do badań, – alginian sodu (AS) w ilości 0,005% masowych całości roztworu do badań, – AFP III (antifreeze protein typ III – białko ograniczające krystalizację lodu)

w ilości 0,000039% 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 505). Zamrażanie prowadzono w temperaturze –20°C. Temperaturę w środku geo- metrycznym próbek rejestrowano co 5 sekund za pomocą wielokanałowego termo- metru cyfrowego MPI-LAB (Metronic Instruments), podłączonego do komputera.

(3)

Proces prowadzono do osiągnięcia w badanym punkcie założonej średniej końco- wej temperatury –15°C.

W każdym sporządzonym roztworze dokonano pomiaru ekstraktu początko- wego, 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 schła- dzania. 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 procen- tową zawartość wody w próbkach (w_o i w_k). Uwzględniając bilans masowy procesu zagęszczania:

o o z k

M ss = M ss

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:

100[%]

k o

W ω = W^⋅

Korzystając ze wzoru Raoulta, należy również uwzględnić początkową i koń- cową zawartość wody w badanej próbce.

Wyniki i dyskusja

Dla roztworów modelowych sacharozy (bez dodatków ochronnych) zamra- żanych w kriostacie w temperaturze –20°C stwierdzono, że temperatura krioskopowa uległa obniżeniu wraz ze wzrostem stężenia próbek z 30 do 40% (tab. 1, rys. 1). Podobne wyniki przy zamrażaniu roztworów sacharozy o zróżnicowanym stężeniu uzyskali CORNILLON i in. [1995]. GABAS i in. [2003], po przeprowadze- niu podobnych doświadczeń, stwierdzili, że obniżenie temperatury krioskopowej jest związane ze stopniem wymrożenia wody w produkcie, co może tłuma- czyć wzrost zawartości wody wymrożonej wraz ze wzrostem stężenia zamrażanej próbki (w roztworze 30% – ω = 42,86%, w roztworze 40% – ω = 66,94%). Każda z badanych substancji ochronnych wpływała na podwyższenie temperatury krioskopowej roztworów o stężeniu 30% (rys. 2). Największą wartością temperatury krioskopowej charakteryzował się roztwór 30% z dodatkiem AFP III (–0,2°C). Nie- zależnie od zmian temperatury krioskopowej w próbkach zawartość wody wymro- żonej i niewymrożonej praktycznie nie różni się między poszczególnymi próbkami o stężeniu 30% – bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych (tab. 1). Po- twierdziła to również analiza wariancji jednoczynnikowej, przy poziomie istotności

(4)

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

Temperatura krioskopowa Cryoscopic temperature (°C)

Woda niewymrożona Unfrozen water

content nω (%)

Woda wymrożona Frozen water content

ω (%) Sacharoza 30%

Sucrose 30% –1,8 57,14 42,86

Sacharoza 40%

Sucrose 40% –3,3 33,06 66,94

Sacharoza 30% + KK

Sucrose 30% + KK –0,8 57,14 42,86

Sacharoza 40% + KK

Sucrose 40% + KK –2,7 33,06 66,94

Sacharoza 30% + AS

Sucrose 30% + AS –1,4 56,53 43,47

Sacharoza 40% + AS

Sucrose 40% + AS –3,2 34,16 65,84

Sacharoza 30% + AFP

Sucrose 30% + AFP –0,2 56,73 43,27

Sacharoza 40% + AFP

Sucrose 40% + AFP – 34,44 65,56

Rys. 1. Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stęże- niu 30% i 40% w temperaturze –20°C

Fig. 1. Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration of 30% and 40% at the temperature of –20°C

30

15 20 25

5 10 15

–5

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

30% 40%

–20 –15 –10

–30 –25 Temperatura w środku próbki (°C) Temperature in the sample centre (°C)

Czas zamrażania (min) Time of freezing (min)

(5)

α = 0,05. Przy podanym poziomie istotności występuje istotna statystycznie różnica pomiędzy ilością wody wymrożonej i niewymrożonej w roztworach 30% z dodatkiem substancji ochronnych a ilością wody wymrożonej i niewymrożonej w roztworach o tym samym dodatku, ale stężeniu 40%. W roztworach o stężeniu 40%

wymarzało średnio o 20% wody więcej niż w roztworach o stężeniu 30%, a prób- ki, podobnie jak przy poprzednim wariancie stężenia, nie różniły się istotnie statystycznie między sobą, jeśli chodzi o zawartość wody wymrożonej i niewymrożo- nej. Największą zawartością wody niewymrożonej spośród próbek o stężeniu 40%

charakteryzował się roztwór z dodatkiem AFP III, co potwierdza właściwości krio- protekcyjne tych związków. Dzięki nim niektóre organizmy mogą doskonale funk- cjonować nawet w temperaturze poniżej zera [G^RIFFITH i E^WART 1995]. Spowodo- wane jest to prawdopodobnie gromadzeniem się cząsteczek AFP na powierzchni powstałych na początku krystalizacji małych kryształów lodu, co zapobiega ich dalszemu wzrostowi [H^ARDING i in. 2003].

W przypadku roztworów o stężeniu 40% 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 prze- bieg 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 zawar- tością wody niewymrożonej niż próbka bez dodatku. Alginian sodu, jako substancja

25 30

15 20

5 10

BD KK AS

–10 –5

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

AFP –20

środku próbki (°C)Temperatura w Temperature in the sample centre (°C)–15

–30 –25

Rys. 2. Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stężeniu 30% bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych w temperaturze –20°C Fig. 2. Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration

of 30% without and with the addition of protective substances at the temperature of –20°C

(6)

stabilizująca, podobnie zresztą jak kappa karagen, dodana do roztworu ulega pęcz- nieniu, uniemożliwiając niektórym cząsteczkom wody przemianę w lód [MAŁOLEP-

SZY 1993; D^ZIOMDZIORA i K^RALA 2005; K^AMIŃSKA i L^EWICKI 2008].

Obie metody obliczeniowe, określające udział wody wymrożonej i niewymro- żonej, 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 –20°C uległa obniżeniu (o 1,5 stopnia) wraz ze wzrostem stężenia próbek z 30 do 40%.

2. Każda z badanych substancji ochronnych wpływała na podwyższenie temperatury krioskopowej roztworów o stężeniu 30%. W przypadku próbek o stę- żeniu 40% jedynie dodatek kappa karagenu wpłynął na istotne podwyższenie temperatury krioskopowej (wzrost o 0,6°C).

3. Więcej wody wymarzało w próbkach o stężeniu 40% (średnio o 20% wody więcej niż w roztworach o stężeniu 30%).

4. Dodatek substancji ochronnych nie wpłynął istotnie na zmianę zawartości wody wymrożonej i niewymrożonej zarówno dla roztworów o stężeniu 30%, jak i 40%.

Rys. 3. Porównanie krzywych zamrażania modelowych roztworów sacharozy o stężeniu 40% bez dodatków i z dodatkiem substancji ochronnych w temperaturze –20°C Fig. 3. Comparison of freezing curves for model sucrose solutions in the concentration

of 40% without and with the addition of protective substances at the temperature of –20°C

25 30

15 20 25

BD 5

10

KK AS

–10 –5

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

AFP –20

–15

–30 –25 Temperatura w środku próbki (°C) Temperature in the sample centre (°C)

(7)

5. Największą zawartością wody niewymrożonej spośród próbek o stężeniu 40%

charakteryzował się roztwór z dodatkiem AFP III – ω = 34,44%.

Literatura

BETLIŃSKI Ł., BONCA Z. 2000. Wpływ metody zamrażania produktów żywnościo- wych na ich cechy jakościowe. Część I. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 8:

335–341.

CORNILLON P., ANDRIEU J., DUPLAN J.C., LAURENT M. 1995. Use of Nuclear Mag- netic Resonance to Model Thermophysical Properties of Frozen and Unfrozen Model Food Gels. Journal of Food Engineering 25: 1–19.

DZIOMDZIORA M., KRALA L. 2005. Krioprotekcja nierozdrobnionego mięsa wie- przowego. Chłodnictwo 8 (40): 42–46.

GABAS A.L., TELIS-ROMERO V.R.N. 2003. Influence of Fluid Concentration on Freezing Point Depression and Thermal Conductivity of Frozen Orange Juice. Inter- national Journal of Food Properties 6: 543–556.

GRIFFITH M., EWART K.V. 1995. Antifreeze proteins and their potential use in frozen foods. Biotechnology Advances 13 (3): 375–402.

GRUDA Z., POSTOLSKI J. 1999. Zamrażanie żywności. WNT, Warszawa.

HARDING M.M., ANDERBERG P.I., HAYMET A.D. 2003. Antifreeze glycoproteins from polar fish. European Journal of Biochemistry 270: 1381–1392.

KAMIŃSKA A., LEWICKI P.P. 2005. Metoda dehydrofreezing (D-F) – znaczenie i przy- szłość (Dehydrofreezing metod (D-F) – Meaning and Future). Przemysł Spożywczy 9 (59): 12–15.

KAMIŃSKA A., LEWICKI P.P. 2008. Metody ograniczania krystalizacji lodu w proce- sie zamrażania. Przemysł Spożywczy 9 (62): 24–28.

LEWICKI P.P. 1999. Właściwości wody w produktach spożywczych. Inżynieria Che- miczna i Procesowa. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej 811 (24): 29–46.

MAŁOLEPSZY B. 1993. Dlaczego stosujemy do produkcji lodów stabilizatory i emul- gatory? Część I. Stabilizatory. Przegląd Piekarski i Cukierniczy 3: 29–30.

WOLFE J., BRYANT G., KOSTER K.L. 2002. What is “unfreezable water”, how unfre- ezable is it and how much is there? Cryo – Letters 23: 157–166.

Słowa kluczowe: sacharoza, zamrażanie, temperatura krioskopowa, woda nie- wymrożona

Streszczenie

Celem pracy było określenie procentowego udziału wody wymrożonej i nie- wymrożonej w zamrażanych modelowych roztworach sacharozy. Badano roztwory o stężeniu 30 i 40% 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 –20°C. Temperaturę

(8)

krioskopową określono na podstawie krzywych mrożenia. Udział wody wymrożo- nej i niewymrożonej określono na podstawie obliczeń, korzystając ze wzoru Raoul- ta oraz z bilansu masowego procesu zagęszczania. Temperatura krioskopowa roz- tworów bez dodatków uległa obniżeniu wraz ze wzrostem stężenia próbek. Dodatek substancji ochronnych podwyższał temperaturę krioskopową. Więcej wody (śred- nio o 20%) wymarzało w próbkach o stężeniu 40%. Dodatek substancji ochronnych nie wpłynął istotnie na zmianę zawartości wody wymrożonej i niewymrożonej za- równo dla roztworów 30%, jak i 40%.

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 test- ed at the concentration of 30 and 40% 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 –20° 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 20%) was freezed in samples with the concentration of 40%. The addition of protective substances didn’t significantly affected the change in frozen and unfrozen water content, for both of the solutions 30% and 40%.

Dr Anna Kamińska

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji ul. Nowoursynowska 159c

02-777 WARSZAWA

e-mail: anna_kaminska@sggw.pl