Pomimo dużej liczby prac na temat fizykochemii emulsji rola poszczególnych składników w ich tworzeniu i stabilizacji nadal pozostaje niejasna. W szczególności dotyczy to stabilizującej i/lub emulgującej roli hydrokoloidów. Celem podjętych badań było poznanie głównych czynników determinujących formowanie i trwałość emulsji tworzonych z użyciem handlowych preparatów skrobiowych dostępnych na rynku krajowym.
Materiał do badań stanowiły najpopularniejsze skrobie modyfikowane chemicznie produkowane przez polski przemysł ziemniaczany, z wyjątkiem wcześniej szczegółowo opisanej skrobi acetylowanej E 1420. Zakres eksperymentu obejmował wszechstronną analizę fizykochemiczną preparatów skrobiowych, jak również utworzonych przez nie emulsji modelowych. W badaniach wykorzystano: reometrię rotacyjną do oceny właściwości reologicznych emulsji i fazy rozpraszającej, filtrację żelową z potrójną detekcją do określenia struktury molekularnej skrobi, spektroskopię niskopolowego magnetycznego rezonansu jądrowego do analizy dynamiki wody w emulsjach i w fazie rozpraszającej oraz metodę oderwania pierścienia du Noüya do analizy aktywności powierzchniowej preparatów skrobiowych. Ze względu na wieloczynnikowy charakter zależności opisujących właściwości fizykochemiczne emulsji uzyskane wyniki poddano analizie głównych składowych (PCA).
Wykazano, że dla stabilności emulsji największe znaczenie mają właściwości fizykochemiczne fazy ciągłej. Dotyczy to przede wszystkim wielkości fizycznych opisujących oddziaływanie skrobi z otaczającym środowiskiem, tj. konformacji makromolekuł (stosunek promienia bezwładności do promienia hydrodynamicznego Rg/Rh), aktywności powierzchniowej (stopień obniżenia napięcia powierzchniowego i międzyfazowego oraz statystyczna wielkość powierzchni zajmowana przez pojedynczą cząsteczkę w warstwie monomolekularnej na wysyconej granicy faz) oraz parametrów opisujących procesy relaksacyjne w kleikach skrobiowych mierzone metodą niskopolowego magnetycznego rezonansu jądrowego. Spośród parametrów strukturalnych opisujących skrobie modyfikowane stopień podstawienia grupami acetylowymi ma największe znaczenie dla utworzenia stabilnej emulsji. Stabilności emulsji tworzonych przez skrobie zawierające grupy acetylowe sprzyja też dodatkowe usieciowanie, natomiast nie ma znaczenia, czy preparat ma zdolność do rozpuszczania się w zimnej wodzie (CS), czy tylko w gorącej (HS). Pozostałe parametry odnoszące się do struktury molekularnej skrobi – tj. masa cząsteczkowa, polidyspersyjność, stopień rozgałęzienia czy stopień podstawienia grupami karboksylowymi – mają niewielkie znaczenie dla funkcjonalności tego polisacharydu w formowaniu i stabilizacji emulsji. Masa cząsteczkowa skrobi ma natomiast ogromne znaczenie dla lepkości kleików. Wagowo średnia masa cząsteczkowa precyzyjnie koreluje z lepkością końcową, wyznaczaną w badaniu procesu kleikowania w aparacie Brabendera. Spośród analizowanych parametrów reologicznych najlepszą korelację ze stabilnością emulsji wykazuje wskaźnik płynięcia, wyliczany z równania Ostwalda de Waele’a. Natomiast współczynnik konsystencji zarówno kleików skrobiowych, jak i samych emulsji nie nadaje się do opisywania trwałości emulsji. Ze stabilnością emulsji doskonale koreluje natomiast wskaźnik białości. Najstabilniejsze emulsje modelowe można otrzymać przy zastosowaniu acetylowanego adypinianu diskrobiowego E 1422. Zbliżoną stabilność wykazują również emulsje wytworzone z udziałem acetylowanego fosforanu diskrobiowego E 1414. Wszystkie cztery preparaty (E 1422 HS, E 1422 CS, E 1414 HS i E 1414 CS) mogą być zarekomendowane jako funkcjonalne składniki produktów spożywczych o charakterze emulsji. Skrobia ziemniaczana niemodyfikowana chemicznie oraz skrobie modyfikowane: utleniona E 1404 i fosforan diskrobiowy E 1412 nie mogą być rekomendowane do stabilizacji emulsji, przy czym nie ma znaczenia, czy mają one zdolność do rozpuszczania się w zimnej wodzie (CS), czy tylko w gorącej (HS), mimo że wersje te znacznie różnią się od siebie funkcjonalnością. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego jest doskonałą metodą do określania funkcjonalności skrobi w formowaniu i stabilizacji emulsji. Zalecane jest badanie samych kleików przez pomiar czasów relaksacji spin-sieć T1 i spin-spin T2, a także badanie gotowych emulsji tą metodą. W tym drugim przypadku należy analizować parametry opisujące procesy relaksacyjne frakcji protonów związanych głównie z kleikiem skrobiowym, czyli długie składowe czasów relaksacji (T12 i T22). Krótkie składowe czasów relaksacji (T11 i T12), opisujące zjawiska zachodzące w fazie olejowej, wykazują mniejszą przydatność w określaniu stabilności emulsji..
Wykaz skrótów i symboli 9
1. Wstęp 11
2. Zagadnienia teoretyczne 13
2.1. Skrobie modyfikowane w kształtowaniu jakości żywności 13
2.1.1. Informacje wstępne 13
2.1.2. Skrobie modyfikowane chemicznie 13
2.1.3. Skrobie modyfikowane fizycznie 18
2.1.4. Właściwości reologiczne skrobi 19
2.1.5. Struktura molekularna i konformacja makrocząsteczek skrobiowych w roztworze 22
2.2. Rola hydrokoloidów w tworzeniu i stabilizacji emulsji spożywczych 25
2.2.1. Informacje wstępne 25
2.2.2. Aktywność powierzchniowa hydrokoloidów 26
2.2.3. Zastosowanie metody niskopolowego magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) do oceny dynamiki molekularnej wody w roztworach i układach wielofazowych 28
3. Cel pracy 31
4. Materiały i metody 33
4.1. Materiał badany 33
4.2. Metody badawcze 34
4.2.1. Sposób wytworzenia emulsji 34
4.2.2. Badania stabilności emulsji 34
4.2.3. Pomiar składowych barwy emulsji 34
4.2.4. Ocena właściwości reologicznych kleików skrobiowych i emulsji wytworzonych z ich udziałem 35
4.2.5. Oznaczanie rozrzutu mas cząsteczkowych i parametrów hydrodynamicznych makrocząsteczek skrobiowych w roztworze 36 4.2.6 Badanie dynamiki wody w emulsjach oraz ich fazie rozpraszającej metodą niskopolowego NMR 37
4.2.7. Badanie właściwości powierzchniowych skrobi modyfikowanych 38
4.2.8. Statystyczna analiza danych 39
5. Wyniki i dyskusja 41
5.1. Właściwości emulsji 41
5.1.1. Stabilność emulsji 41
5.1.2. Barwa emulsji 42
5.1.3. Właściwości reologiczne modelowych emulsji 44
5.1.4. Procesy relaksacji protonów w emulsjach modelowych 48
5.1.5. Ocena korelacji między poszczególnymi parametrami opisującymi emulsje 53
5.2. Właściwości fazy ciągłej emulsji 55
5.2.1. Właściwości reologiczne fazy ciągłej emulsji 55
5.2.2. Rozkład mas cząsteczkowych i parametry hydrodynamiczne skrobi modyfikowanych 58
5.2.3. Ocena wpływu właściwości reologicznych fazy ciągłej i struktury molekularnej skrobi na stabilność emulsji 60
5.2.4. Dynamika molekularna wody w kleikach skrobiowych 64
5.2.5. Aktywność powierzchniowa skrobi modyfikowanych 66
5.2.6. Ocena wpływu dynamiki molekularnej wody w kleikach oraz aktywności powierzchniowej skrobi na stabilność emulsji 74
6. Wnioski 77
7. Literatura 79
Za darmo