Associate Professor
доцент
Senior Lecturer
старший преподаватель
Assistant
ассистент
Background. Problem of transformation of complex food systems is incompletely solved. In the framework of this problem, the incompletely solved problem of three-dimensional structure of proteids, including collagen, takes place. In this regard, the authors propose solutions of this problem basing on the study of structural rheological properties of polydisperse heterogeneous systems on the basis of natural intentionally modified biopolymers, incl. their microstructures. The rotational viscometry and analysis of images obtained with the scanning electron microscopy have been used as test methods. As a result, dependencies of the dynamic viscosity from the speed rate of the shear deformation have been obtained. They have shown relatively regular changes of the viscosity indicators. Data from the electronic microscopy let us to diagnose the structure of raw material and specially prepared semi-finished product, dominated by biopolymers, for further processing in industries.
Purpose. Taking into account the problem urgency, introduced in the first part of the article, we have stated the characteristic dependence between the dynamic viscosity of the typical polymer solution – alginate (semi-finished product for artificial caviar production) and shear deformation speed rate.
Materials and methods. The directions of solving the issue of microstructure and properties of biopolymers from different groups are actualized. In particular, biopolymers of alginate type and proteins from the collagen group have been investigated.
The peculiarities of the denaturation of native proteins cause the necessity of their further study (analysis of the initial architectonics of molecules, their changes under chemical and/or thermal influences) in the preparation of raw materials for the product manufacturing, feeds, etc. The general orientation of process organization is to avoid denaturation transformations.
However, treatment in media with the adjustable pH level is expected. The example is the treatment with electrolyte solutions (OH-), which weakens the complex of cross-links, which causes some disturbance of the original histological structure of tissues, but does not lead to denaturation, preserving in general the molecular structure of the main structural molecular units (chains) of proteids.
Results. The first section of the rheogram, the “difficulty” of the system shear and then, a relatively uniform course of the graph, which may indicate that this solution is “stabilized” by structural agents based on natural biopolymers. The approximation reliability coefficient R2 = 0.98 demonstrates a high approximation of the trend line to the exponential model of the equation.
It is worth to mention the study by E.Yu. Agarkova et.al. which made it possible to reveal the exponential dependence between dynamic viscosity of polydisperse milk-based food systems depending on the mass fraction of psyllium in them. The obtained rheograms revealed nonlinear and non-additive dependences between viscosity and psyllium content in them.
Enhancing our own results, we have pointed out that the composition of the studied Collagen brand supplements also includes color-forming and flavor-forming additives. Comparative analysis of rheological data is hampered by the lack of publications in domestic sources. There is some information on mechanical parameters (e.g., the Young modulus, etc.) for protein hydrogels in foreign sources, F. Linglan. However, the elasticity modulus is used to characterize hydrogels.
It seems that these results are consistent with the studies of biopolymers by Hu Shiao et.al. [16], who revealed the special rheology of biopolymers with carbohydrate compartment. Thus, their thixotropic behavior was revealed.
Conclusion. The non-Newtonian flow character of biopolymer solutions can be characterized as visco-plastic, the properties of thixotropic medium were observed.
Based on the obtained results, the database on rational directions of processing of various biopolymers, which play, first of all, the role of structure formers, is being replenished. It is possible to combine these or those biopolymers in vitro with the purpose of further involvement in the production of food products and biologically active food additives.
The use of the combinatorics principles, more effective and functional food systems, will establish the compliance of the developed products with the principles of healthy nutrition. Especially it expands the possibilities of tissue repair from the group of supporting tissues, optimizes the functions of the gastrointestinal tract of humans and/or animals.
Thus, prospects for the food system development, creation of new feeds, materials for medical purposes, etc. are opened.
Обоснование. Проблема трансформации сложных пищевых систем является неполноценно решенной. В рамках этой проблемы имеет место не до конца решенная проблема трехмерной структуры белков, в том числе коллагена. В связи с этим авторы предлагают решение данной проблемы на основе изучения структурно-реологических свойств полидисперсных гетерогенных систем на основе природных намеренно модифицированных биополимеров, в том числе их микроструктур. В качестве методов исследования использованы ротационная вискозиметрия и анализ изображений, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии. В результате были получены зависимости динамической вязкости от скорости сдвиговой деформации. Они показали относительно регулярное изменение показателей вязкости. Данные электронной микроскопии позволяют диагностировать структуру сырья и специально подготовленного полуфабриката с преобладанием биополимеров для дальнейшей переработки в промышленности.
Цель. Учитывая актуальность проблемы, представленной в первой части статьи, нами была установлена характерная зависимость между динамической вязкостью раствора типичного полимера – альгината (полуфабриката для производства искусственной икры) и скоростью сдвиговой деформации.
Материалы и методы. Актуализированы направления решения вопроса о микроструктуре и свойствах биополимеров различных групп. В частности, исследованы биополимеры альгинатного типа и белки из группы коллагена.
Особенности денатурации нативных белков обуславливают необходимость их дальнейшего изучения (анализ исходной архитектоники молекул, их изменений при химических и/или термических воздействиях) при подготовке сырья для производства продуктов, кормов и т.д. Общая направленность организации процесса заключается в том, чтобы избежать денатурационных превращений.
Однако предполагается обработка в средах с регулируемым уровнем pH. Примером может служить обработка растворами электролитов (OH-), которые ослабляют комплекс поперечных связей, что вызывает некоторое нарушение исходной гистологической структуры тканей, но не приводит к денатурации, сохраняя в целом молекулярную структуру основных структурных молекулярных единиц (цепей) протеидов.
Результаты. Первый участок реограммы, «трудность» сдвига системы, а затем, относительно равномерный ход графика, что может свидетельствовать о том, что данный раствор «стабилизирован» структурообразователями на основе природных биополимеров. Коэффициент достоверности аппроксимации R2 = 0,98 свидетельствует о высокой степени приближения линии тренда к экспоненциальной модели уравнения.
Следует отметить исследование Е.Ю. Агарковой с соавторами, которое позволило выявить экспоненциальную зависимость динамической вязкости полидисперсных пищевых систем на основе молока от массовой доли псиллиума в них. Полученные реограммы выявили нелинейные и неаддитивные зависимости между вязкостью и содержанием в них псиллиума.
Усиливая собственные результаты, мы указали, что в состав исследуемых добавок марки «Коллаген» также входят цветообразующие и вкусообразующие добавки. Сравнительный анализ реологических данных затруднен отсутствием публикаций в отечественных источниках. Некоторая информация о механических параметрах (например, модуль Юнга и др.) для белковых гидрогелей есть в зарубежных источниках, Ф. Линглан. Однако для характеристики гидрогелей используется модуль упругости.
Эти результаты согласуются с исследованиями биополимеров, проведенными Ху Шиао и соавт., которые выявили особую реологию биополимеров с углеводным компартментом. Так, было выявлено их тиксотропное поведение.
Заключение. Неньютоновский характер течения растворов биополимеров можно охарактеризовать как вязко-пластический, наблюдались свойства тиксотропной среды.
На основании полученных результатов пополняется база данных по рациональным направлениям переработки различных биополимеров, играющих, прежде всего, роль структурообразователей. Возможна комбинация тех или иных биополимеров in vitro с целью дальнейшего вовлечения в производство пищевых продуктов и биологически активных добавок к пище.
Использование принципов комбинаторики, более эффективных и функциональных пищевых систем, позволит установить соответствие разрабатываемых продуктов принципам здорового питания. Особенно это расширяет возможности восстановления тканей из группы опорных тканей, оптимизирует функции желудочно-кишечного тракта человека и/или животных.
Таким образом, открываются перспективы для развития системы питания, создания новых кормов, материалов медицинского назначения и т.д.