Studium reologických a termických vlastností potravin

Ing. Tomáš Valenta

Doctoral thesis

The study of foodstuff rheological and thermal properties

Abstract:

Disertační práce se zabývá problematikou reologických a termických vlastností potravinářských látek a aditiv na bázi polysacharidů a proteinů, jež jsou hojně využívány jako potravinářské hydrokoloidy. Reologická analýza byla využita ke stanovení vnitřní viskozity a tokových parametrů roztoků polysacharidů (guarové gumy, kappa-karagenanu, xanthanové gumy) a směsí želatiny a polysacharidu. S využitím vhodných reologických modelů (Ostwald-de Waeleho a Herschel-Bulkleyho modelu) bylo možné určit teplotní a koncentrační závislost tokových parametrů roztoků, vliv použitého rozpouštědla a stanovit konformační přechod rozpuštěných polymerů. Reologická analýza roztoků polysacharidů v destilované vodě a 0,07M KCl v teplotním rozmezí od 20 do 45 °C potvrdila závislost viskozity roztoků na jejich koncentraci a teplotě, což se projevilo v pozorování změn tokových parametrů. Přechod polysacharidové struktury dvojšroubovic na konformaci jednoduchých klubek (v solném roztoku) a proces rozplétání řetězců klubek (v destilované vodě) stimulované zvýšením teploty byly prokázány při teplotě kolem 30 °C nárůstem teplotní závislosti Kraemerovy konstanty. Pomocí stejných reologických modelů byly v teplotním rozmezí 25 až 45 °C studovány směsi želatiny a polysacharidu v 0,07M KCl a 0,07M NaCl. Tokové parametry směsí byly ovlivněny konformační změnou polysacharidu (přechod dvojšroubovice-klubko) i konformačním uspořádáním želatiny (přechodem z uspořádané do neuspořádané struktury, tj. disociací želatinových trojšroubovic do pružných klubek), a také gel-sol přechodem želatiny. Změna tokových parametrů byla patrná při teplotě kolem 35 °C. Pro stanovení tepelných vlastností práškových polysacharidů byla použita termogravimetrická analýza a diferenciální termická analýza. Výsledky termické analýzy ukázaly, že práškové vzorky mají různou schopnost vázat vlhkost v závislosti na jejich struktuře. Teplota endotermního procesu (přechodu polysacharidu z uspořádané do neuspořádané struktury) byla stanovena při různých rychlostech ohřevu. Teplota endotermního píku byla zjištěna v rozmezí 50-85 °C, a byla ovlivněna aplikovanou rychlostí ohřevu a vlhkostí vzorků. Aktivační energie (Ea) fázového přechodu spojená s kinetikou odpařování vody byla vypočtena na základě několika kinetických modelů (Friedmanova modelu, Kissingerova modelu a Model-free kinetics). Arrheniův model byl použit k vyhodnocení teplotní rezistence molekulární struktury vodných a solných roztoků hydrokoloidů, připravených z příslušných práškových polysacharidů. Výsledky Arrheniova modelu naznačují, že energie potřebná pro viskózní tok roztoků je vyšší u hydrokoloidů v destilované vodě než v 0,07M KCl, což by mohlo implikovat vznik iontově-indukované struktury molekulárních řetězců v solném roztoku. V případě obou typů roztoků byla Ea podstatně redukována aplikací vyšší smykové rychlosti.

Abstract:

The Doctoral Thesis deals with the issue of rheological and thermal properties of foodstuffs and additives based on polysaccharides and proteins which are widely used as food hydrocolloids. Rheological analysis was used to determine intrinsic viscosity and flow parameters of polysaccharide solutions (guar gum, kappa-carrageenan, xanthan gum) and gelatin/polysaccharide blends. Using suitable rheological models (Ostwald-de Waele and Herschel-Bulkley model), it was possible to define temperature and concentration dependency of flow parameters, the effect of solvent used and to examine the conformational transition of the dissolved polymers. Rheological analysis of polysaccharides solutions both in distilled water and 0.07M KCl in the temperature range from 20 to 45 °C confirmed the concentration and temperature dependency of the solutions viscosities as reflected in observed changes of flow parameters. The transition from double helical polysaccharide structure to single coil conformation (in salt solution) and the disentanglement of coils' chains (in distilled water) promoted by elevating temperature were proved at temperature about 30 °C by a detectable change of the Kraemer constant temperature dependency. Gelatin/polysaccharide blends in 0.07M KCl and 0.07M NaCl solutions were studied in the temperature range 25-45 °C by the same rheological models. Flow parameters of the blends were affected by the conformational change of the polysaccharide (helix-coil transition), as well as by the conformational ordering of gelatin, characterized by the dissociation of gelatin triple helices into flexible coils, and gel-sol transition. There was an evident change of the parameters at temperature about 35 °C. Thermogravimetric analysis and differential thermal analysis were employed to determine thermal properties of powder polysaccharides. The results of thermal analysis showed that powder samples exhibit varying ability to bind moisture depending on their structure. The temperature of the endothermic process (polysaccharide order-disorder transition) was determined at different heating rates. Peak temperature of the endotherm was found in the range 50-85°C, influenced by the applied heating rate and moisture content of the sample. Activation energy (Ea) of the phase transition associated with the kinetics of water evaporation was calculated by several kinetic models (Friedman model, Kissinger model, and Model-free kinetics). The Arrhenius model was used to evaluate the temperature resistance of the molecular structure of hydrocolloid water and salt solutions, prepared from the powders. Results of the Arrhenius model indicate that energy necessary to promote viscous flow of solutions is higher for samples in distilled water than in 0.07M KCl, suggesting the ion-induced assembly of molecular chains in salt solution. In both cases, Ea was substantially reduced by application of higher shear rate.

Keywords

reologické vlastnosti, termické vlastnosti, viskozita, obsah vlhkosti, entalpie, hydrokoloidy, polysacharidy, kinetické modely

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 9. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 8. 11. 2018

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Food Chemistry and Technology / Food Technology