Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях
Методом ДСК исследовано изменение содержания свободной и связанной воды в растительных тканях при гидротермическом нагреве и сушке.
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61353 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях / В.А. Михайлик, Н.В. Дмитренко, Т.А. Михайлик // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 212-217. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61353 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-613532014-05-01T03:01:27Z Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях Михайлик, В.А. Дмитренко, Н.В. Михайлик, Т.А. Методом ДСК исследовано изменение содержания свободной и связанной воды в растительных тканях при гидротермическом нагреве и сушке. Методом ДСК досліджено зміну вмісту вільної та зв’язаної води в рослинних тканинах при гідротермічному нагріванні та сушці. Method DSC investigates change of the free and bound water content in vegetative tissues under hydrothermal heating and drying. 2007 Article Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях / В.А. Михайлик, Н.В. Дмитренко, Т.А. Михайлик // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 212-217. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61353 536.65:542.936 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Методом ДСК исследовано изменение содержания свободной и связанной воды в растительных тканях при гидротермическом нагреве и сушке. |
| format |
Article |
| author |
Михайлик, В.А. Дмитренко, Н.В. Михайлик, Т.А. |
| spellingShingle |
Михайлик, В.А. Дмитренко, Н.В. Михайлик, Т.А. Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях Промышленная теплотехника |
| author_facet |
Михайлик, В.А. Дмитренко, Н.В. Михайлик, Т.А. |
| author_sort |
Михайлик, В.А. |
| title |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| title_short |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| title_full |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| title_fullStr |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| title_full_unstemmed |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| title_sort |
влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61353 |
| citation_txt |
Влияние термического воздействия на состояние воды в растительных тканях / В.А. Михайлик, Н.В. Дмитренко, Т.А. Михайлик // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 212-217. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT mihajlikva vliânietermičeskogovozdejstviânasostoânievodyvrastitelʹnyhtkanâh AT dmitrenkonv vliânietermičeskogovozdejstviânasostoânievodyvrastitelʹnyhtkanâh AT mihajlikta vliânietermičeskogovozdejstviânasostoânievodyvrastitelʹnyhtkanâh |
| first_indexed |
2025-07-05T12:24:31Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:24:31Z |
| _version_ |
1836809739161305088 |
| fulltext |
Введение
В технологических целях плоды и овощи под;
вергают термической обработке. Повышение
температуры вызывает изменения в раститель;
ных тканях, причем началу деструктивных про;
цессов соответствует температура, характерная
для каждого вида сырья. Степень деструкции
обычно определяют, контролируя изменение фи;
зико;химических свойств материала, таких как
электропроводность, вязкость, плотность, дис;
персность и др. [1]. До настоящего времени нет
универсального критерия, позволяющего кон;
тролировать глубину последствий термического
воздействия. В то же время информация о состо;
янии воды в растительных тканях может рассма;
триваться, как наиболее объективная характери;
стика изменений в материале, так как при
деструкции тканей изменяется их водоудержива;
ющая способность [2].
Состояние воды в растительных тканях харак;
теризуется определенной структурой. Извлече;
ние воды сопряжено с разрушением структуры
тканей, преодолением межмолекулярных сил и
разрывом водородных связей. Сопротивление
всех этих факторов определяется величиной во;
доудерживающих сил. Степень упорядоченности
структуры воды влияет на величину этого сопро;
тивления, на выход воды из клеток при воздейст;
вии, превышающем водоудерживающую силу.
Водоудерживающая способность растительных
клеток зависит от общего физиологического со;
стояния растения.
У биологических объектов многие исследовате;
ли условно выделяют, как минимум, два различ;
ных состояния воды [3]. Одно сходно с состояни;
ем объемной воды (свободная или замерзающая),
другое возникает в результате выгодных энергети;
ческих взаимодействий с макромолекулами био;
полимеров, молекулами и ионами клеточного со;
ка (связанная или незамерзающая вода).
Значительный интерес представляет инфор;
мация об изменении состояния воды в расти;
тельных тканях под влиянием термического воз;
действия и в процессе сушки.
Методика и объекты
исследований
Фрагменты паренхимних тканей столовой
свеклы и тыквы были подвергнуты термообра;
ботке в воде при 80 оС в течение 7 мин и последу;
ющей конвективной сушке при 40 оС. Для иссле;
дования отбирались образцы тканей до и после
термической обработки, а также в процессе обез;
воживания.
212 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Методом ДСК досліджено зміну
вмісту вільної та зв’язаної води в рос)
линних тканинах при гідротермічному
нагріванні та сушці.
Методом ДСК исследовано измене)
ние содержания свободной и связанной
воды в растительных тканях при гидро)
термическом нагреве и сушке.
Method DSC investigates change of
the free and bound water content in vege)
tative tissues under hydrothermal heating
and drying.
УДК 536.65:542.936
МИХАЙЛИК В.А., ДМИТРЕНКО Н.В., МИХАЙЛИК Т.А.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В РАСТИТЕЛЬНЫХ ТКАНЯХ
Q – теплота плавления;
U – влагосодержание;
u – удельное содержание связанной воды;
W – влажность;
ДСК – дифференциальная сканирующая кало;
риметрия.
Индексы:
св – сухие вещества.
Содержание свободной и связанной воды оп;
ределяли с помощью низкотемпературной ДСК,
которая благодаря своей информативности, час;
то применяется при исследовании состояния во;
ды в различных системах [4;6]. Метод ДСК в оп;
ределении состояния воды базируется на
различии свойств свободной и связанной воды.
При этом связанная вода отождествляется с неза;
мерзающей водой. Вода в связанном состоянии
не претерпевает фазовый переход первого рода
при охлаждении ниже 0 оС [7]. Лишь свободная
вода кристаллизуется при охлаждении или нагре;
вании в области отрицательных температур. Если
систему, содержащую свободную и связанную
воду, подвергнуть в калориметре глубокому ох;
лаждению и последующему нагреванию, то на
кривых ДСК будут регистрироваться пики тепло;
выделения и теплопоглощения, соответствую;
щие кристаллизации и плавлению только свобод;
ной воды. Так как плавление воды относится к
равновесным фазовым переходам, определение
теплоты перехода не вызывает особых сложностей.
Методика измерения теплоты низкотемпера;
турных фазовых переходов во влагосодержащих
материалах с помощью ДСК подробно изложена в
[2, 8, 9]. Образец растительных тканей герметически
закрывали в специальный контейнер и размещали в
измерительный блок калориметра ДСМ;2М, где
охлаждали до 150 оС со скоростью 64 К/мин. После
достижения температурного равновесия в калори;
метрической ячейке, характеризующегося ста;
бильностью изотермы, образец нагревали со ско;
ростью 4К/мин., регистрируя изменения тепловой
мощности в виде ДСК;кривой (рис.1).
Площадь, ограниченная пиком плавления и
базовой линией калориметра эквивалентна теп;
лоте фазового перехода [10]. Измерение площа;
дей осуществляли методом трапеций с помощью
прикладной компьютерной программы с точнос;
тью не хуже 0,1 %. Теплоту плавления определя;
ли на основании данных градуировки калориме;
тра по эталонному веществу, в качестве которого
использовали дистиллированную воду двойной
перегонки. Погрешность измерения теплоты фа;
зового перехода не превышала 1,0 %.
Определив теплоту фазового перехода и зная
энтальпию плавления, рассчитывали количество
свободной воды. Количество незамерзающей
(связанной) воды вычисляли как разницу между
общим содержанием воды и замерзающей её час;
тью. Содержание воды в образце определяли по;
сле калориметрических измерений методом высу;
шивания до постоянной массы при 104 – 105 оС.
Экспериментальные результаты
и их обсуждение
На рис.1 изображена типичная ДСК;кривая
плавления воды в растительных тканях. Эндотер;
мический пик плавления свободной воды охлаж;
денного образца регистрируется в достаточно
широком интервале температур. С уменьшением
влагосодержания материала, что наблюдается
при сушке, максимум пика плавления смещается
в область более низких температур.
Изменение содержания свободной и связан;
ной воды в процессе обезвоживания термически
обработанных и не подвергнутых термообработе
паренхимных тканей представлено на рис. 2.
Видно, что примененная термическая обра;
ботка не вызвала заметных изменений в состоя;
нии воды в тканях свеклы. Все эксперименталь;
ные точки содержания и свободной и связанной
воды в свежем и термообработанном материале
укладываются на общие кривые. В то же время, в
тканях тыквы после термообработки отмечено
уменьшение содержания связанной воды. При;
чем разница в содержании свободной и связан;
ной воды в свежих и термообработанных тканях
тыквы сохраняется на всем протяжении сушки.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 213
Рис. 1. ДСК)кривая нагрева паренхимних тканей
столовой свеклы с влажностью 58,61 %. Масса
образца – 16,38 мг.
Содержание связанной воды при сушке возрас;
тает во всех исследованных образцах.
Присутствие фракций свободной и связанной
воды в растительном материале при сушке наблю;
дается до граничного влагосодержания, после до;
стижения которого вся оставшаяся в тканях вода
находится в связанном состоянии. Граничное вла;
госодержание может быть определено по данным
калориметрических измерений путем графической
или аналитической экстраполяции до пересечения
с осью абсцисс прямой зависимости отношения
теплоты плавления свободной воды к массе сухих
веществ от влагосодержания материала (рис. 3).
Ниже приведены уравнения, с помощью кото;
рых рассчитаны граничные влагосодержания,
представленные в табл. 1:
Свекла столовая: – свежая
Q = – 0,102 + 0,2942 U, (1)
; термообработанная
Q = – 0,102 + 0,2940 U, (2)
Тыква: – свежая
Q = – 0,113 + 0,2976 U, (3)
; термообработанная
Q = – 0,105 + 0,3035 U. (4)
Для сравнения в табл. 1 приведено граничное
влагосодержание свежей и лежалой сахарной
свеклы, хранившейся в течение 8 месяцев, а так;
же картофеля. Граничное влагосодержание коли;
чественно характеризует водоудерживающую
способность растительных тканей и является от;
ражением их физиологического состояния.
Анализ изменения фракционного состава во;
ды при сушке показывает, что одновременно со
снижением содержания свободной воды умень;
шается удельное содержание связанной воды
(связанное влагосодержание) – отношение свя;
занной воды к сухим веществам материала
(рис.4). Изменение удельного содержания свя;
занной воды в свежих и подвергнутых термооб;
работке тканях столовой свеклы при сушке мо;
жет быть представлено общим уравнением:
u = 0,306 + 9,3 10–3 e(W/20,3). (5)
Удельное содержание связанной воды в тканях
тыквы после гидротермической обработки
уменьшилось на 8,8 % , изменилось и граничное
влагосодержание материала (рис. 3, табл. 1.). За;
висимости удельного содержания связанной во;
ды в свежих (6) и термообработанных (7) тканях
тыквы от влажности материала представлены ап;
проксимирующими уравнениями:
214 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Рис. 2. Изменение содержания свободной и
связанной воды в свежих и термообработанных
тканях столовой свеклы и тыквы при сушке.
Рис. 3. Зависимость теплоты плавления
свободной воды в свежих и термообработанных
тканях столовой свеклы и тыквы от
влагосодержания.
u = 0,335 + 7,2 10–3e(W/18,8), (6)
u = 0,347 + 2,3 10–3e (W/15,6). (7)
Характер зависимостей дает основание пред;
положить, что при обезвоживании из;за измене;
ния межмолекулярных взаимодействий, часть
связанной воды переходит в свободную, которая
затем удаляется, причем скорость последнего
процесса преобладает. В пользу данного предпо;
ложения свидетельствует рост доли связанной
воды при уменьшении влажности (рис. 2).
Чтобы определить причину различной реакции
паренхимных тканей столовой свеклы и тыквы на
равное термическое воздействие следует сопоста;
вить их химический состав [11, 12]. Из данных,
представленных в табл. 2, видно, что количест;
венные показатели химического состава столовой
свеклы и тыквы отличаются. Отличительной осо;
бенностью тыквы является высокое содержание
полисахаридов – 58,9 %, против 23,6 % у свеклы.
Особенно богата тыква пектиновыми вещества;
ми, их содержание в 2,7 раза выше, чем у свеклы.
Однако растворимых углеводов в виде моно; и
дисахаридов в столовой свекле больше в 1,9 раза.
В роботах [2, 14] было показано, что определя;
ющий вклад в водоудерживание паренхимных
тканей сахарной свеклы, где содержание раство;
римых углеводов в сухом веществе колеблется
около 70 %, принадлежит сахарозе, а характер из;
менения удельного содержания связанной воды в
процессе обезвоживания подобен изменению
степени гидратации сахарозы [8, 15]. Гидратаци;
онная способность глюкозы и фруктозы, в расче;
те на молекулярную массу, почти в два раза выше,
чем сахарозы [16]. Учитывая достаточно высокое
содержание моно; и дисахаридов в столовой
свекле, а также то, что глюкозы и фруктозы в ее
соке значительно больше, чем в соке сахарной
свеклы, можно предположить, что растворимые
углеводы столовой свеклы формируют значитель;
ную часть связанной воды. Повышение темпера;
туры растительных тканей во время гидротерми;
ческой обработки до 80 oС не могло вызвать
каких;либо изменений в составе и структуре рас;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 215
Та б л . 1 .
Та б л . 2 .
творимых углеводов в связи с краткосрочностью
термического воздействия и термоустойчивостью
их растворов при этой температуре.
Еще одним компонентом, обладающим хоро;
шей гидратационной способностью, являются
пектиновые вещества [17]. Не малую роль в водо;
удерживании играют и белки, обладающие раз;
ветвленной сетью гидрофильных центров. Пек;
тиновые вещества свеклы подвергаются
гидролизу при температуре превышающей 80 oС
и лишь белки, образующие протоплазму клеточ;
ных стенок, денатурируют в этом интервале тем;
ператур [18]. Однако информация об изменении
гидрофильности белков свеклы в результате тер;
мического воздействия в литературе отсутствует.
Как видим, уровень и время термического воз;
действия были недостаточны для того, чтобы не;
обратимо изменить сложившиеся связи воды с
активными центрами биополимеров столовой
свеклы и гидратные оболочки растворимых угле;
водов.
Как следует из анализа химического состава,
основной вклад в формирование водоудержива;
ющей способности паренхимных тканей тыквы,
принадлежит полисахаридам. Гидротермическая
обработка тканей тыквы вызвала снижение
удельного содержания связанной воды. Вероят;
но, биополимеры тыквы имеют более слабые
внутри; и межмолекулярные связи, по сравне;
нию с биополимерами столовой свеклы, и поэто;
му в условиях примененной гидротермической
обработки претерпевают изменения.
Заключение
Проведенные исследования состояния воды в
растительных тканях до и после гидротермичес;
кой обработки, а также в процессе сушки показа;
ли, что повышение температуры выше опреде;
ленного уровня или уменьшение общего
влагосодержания в процессе обезвоживания вы;
зывает перераспределение соотношения свобод;
ной и связанной воды.
Изменение удельного содержания связанной
воды, наблюдающееся при гидротермической об;
работке, является следствием структурных пре;
вращений биополимеров и изменения межмоле;
кулярных взаимодействий в материале.
Повышение температуры, происходящее при
термообработке, вызывает деструкцию биополи;
меров, изменение количества гидрофильных ак;
тивных центров и, как результат, уменьшение во;
доудерживающей способности материала.
В связи с отличием химического состава,
структуры и физико;химических свойств биопо;
лимеров разных овощей и фруктов одинаковая
термообработка оказывает различное влияние на
состояние воды в их тканях. Поэтому технологи;
ческие режимы предварительной термической
обработки должны подбираться индивидуально
для каждого вида растительного сырья с учетом
его физиологического состояния.
При обезвоживании растительных тканей
фракционный состав воды перераспределяется и
смещается в сторону связанной воды. Однако
удельное содержание связанной воды на всем
протяжении сушки снижается. Уменьшение во;
доудерживающей способности растительных
тканей наступает в результате изменения количе;
ства и качества водородных связей, что является
следствием изменения структуры биополимеров
и концентрирования клеточного сока.
Полученные результаты дают основание рас;
сматривать информацию о состоянии воды в рас;
тительных тканях как характеристику глубины
деструктивных изменений в материале, наблюда;
ющихся при термической обработке и сушке.
216 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Рис. 4. Зависимость удельного содержания связанной
воды от влажности в свежих и термообработанных
тканях столовой свеклы и тыквы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lebovka N.I., Bazhal M.I., Vorobiev E.
Estimation of characteristic damage time of food
materials in pulsed;electric fields // Journal of Food
Engineering. – 2002. – N54. – P. 337–346.
2. Михайлик В.А., Давыдова Е.О. Исследова;
ние состояния воды в сахаросодержащем расти;
тельном сырье при его обезвоживании // Промы;
шленная теплотехника. – 2000. – Т.22, №5–6. –
С. 50–54.
3. Симатос Д., Фоур М., Бонжур И., Коуч И.
Применение дифференциального термического
анализа и дифференциальной сканирующей ка;
лориметрии при изучении воды в пищевых про;
дуктах // Вода в пищевых продуктах. Под ред.
Р.Б. Дакуорта. – М.: Пищевая промышленность,
1980. – С. 156–170.
4. Франкс Ф. Вода, лед и растворы простых
молекул // Вода в пищевых продуктах. Под ред. Р.
Б. Дакуорта. М.: Пищевая промышленность,
1980. – 376 с.
5. Деодар С., Лунср Ф. Измерение содержания
связанной (незамерзающей) воды методом диф;
ференциальной сканирующей калориметрии //
Вода в полимерах. Под ред. С. Роуленда. – М.:
Мир, 1984. – С. 273–287.
6. Дербишир В. Динамика воды в гетероген;
ных системах; Особенности при температурах
ниже 0 оС // Вода и водные растворы при темпе;
ратурах ниже 0 оС. Под ред. Ф.Франкса. К.: На;
укова думка, 1985. – 277–361 с.
7. Франкс Ф. Свойства водных растворов при
температурах ниже 0 оС // Вода и водные раство;
ры при температурах ниже 0 оС. Под ред.
Ф.Франкса. – К.: Наукова думка, 1985. –
176–276 с.
8. Михайлик В.А., Давыдова Е.О., Манк В.В.
Исследование гидратации сахарозы методом
низкотемпературной сканирующей калоримет;
рии // Термодинамика органических соедине;
ний. – Горький, 1989. – С. 76–80.
9. Михайлик В.А., Давыдова Е.О., Манк В.В. О
ложных тепловых эффектах в сканирующей ка;
лориметрии влагосодержащих объектов // Крио;
биология. – 1990. –№1. – С. 17–20.
10. Топор Н.Д., Огородникова Л.П., Мельчакова Л.В.
Термический анализ минералов и неорганических
соединений. – М.: Изд;во МГУ, 1987. – 190 с.
11. Консервы и концентраты для детского пи;
тания / Е.Т. Дмитриева, Г.М. Евстигнеев, З.А.
Марх и др.; под ред. А.Н. Самсоновой. – М.: Аг;
ропромиздат, 1985. – 246 с.
12. Флауменбаум Б.Л., Безусов А.Т., Сторо[
жук В.М., Фомич Г.П. Фізико;хімічні і біологічні
основи консервного виробництва. – Одеса:
Друк, 2006. – 400 с.
13. Давыдова Е.О. Воздействие низких темпе;
ратур на состояние свекловичной ткани и ее ос;
новных компонентов при хранении сахарной
свеклы: Дис. … канд. техн. наук: 05.18.05. – Киев,
1992. – 172 с.
14. Михайлик В.А. Калориметрические исследо;
вания сахаров и сахаросодержащих материалов //
Промышленная теплотехника. – 1998. – Т.20, –
№1. – С.25–31.
15. Михайлик В.А. Экспериментальное иссле;
дование гидратации сахарозы // Одеська
національна академія харчових технологій. На;
укові праці. – 2006. – Випуск 28. – Т. 2. – С.
370–373.
16. Михайлик В.А., Давидова О.О., Манк В.В.
Дослідження гідратації D;глюкози та D;фруктози /
Проблеми та перспективи створення і впровад;
ження нових ресурсо; та енергоощадних техно;
логій, обладнання в галузях харчової і переробної
промисловості: Матеріали Шостої міжнародної
науково;технічної конференції, 19;21 жовтня
1999р. –У 3 ч. –К.: УДУХТ, 2000. – Ч.1. – С. 106.
17. Хелемский М.З. Технологические качества
сахарной свеклы. – М.: Пищевая промышлен;
ность, 1967. – 283 с.
18. Силин П.М. Технология сахара. – М.: Пи;
щевая промышленность, 1967. – 625 с.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 217
|