بخشی از مقاله
چکیده در این مطالعه تاثیر حضور پروتئین سرمی، نسبت صمغ به پروتئین، روش امولسیفیکاسیون فراصوت - دما، شدت، زمان - و روش همگن ساز برپایداری سامانه های امولسیون روغن در آب حاوی صمغ فارسی مورد بررسی قرار گرفت. در امولسیون های فاقد پروتئین، فاز محلول صمغ فارسی توانایی کاهش کشش سطحی را نداشت و فقط در غلظت های بیش از 0/5 درصد، احتمالا از طریق افزایش گرانروی، به پایداری امولسیون کمک کرد. در امولسیون های فاقد پروتئین با افزایش شدت - از 50 به - %100 ، دما - 20 به 40 درجه سانتی گراد - و زمان فرآیند فراصوت 2 - به 4 دقیقه - پایداری امولسیون افزایش یافت. همچنین در امولسیون های حاوی مخلوط صمغ و پروتئین تهیه شده با دو روش امولسیفیکاسیون پس از 24 ساعت جداسازی فاز مشاهده شد با این تفاوت که در روش فراصوت زمان جداسازی فاز افزایش یافت. بر اساس نتایج به نظر می رسد فرایند فراصوت در تهیه امولسیون حاوی پروتئین بسیار موثر بوده اما در پایداری امولسیون حاوی صمغ تاثیر چندانی نداشته و در امولسیون مخلوط دو بیوپلیمر این تفاوت چشمگیر نبود.
واژه های کلیدی: صمغ فارسی، پروتئین های سرمی، امولسیفیکاسیون، فراصوت
مقدمه فرآورده های غذایی کمپلکسی از ترکیبات مختلف مانند چربی، آب، قند، طعم دهنده، ترکیبات با وزن مولکولی کوچک و بیوپلیمری می باشند که
در بیشتر حالات با یکدیگر مخلوط نشده و در ماتریکس غذایی فازهای مختلفی دارند [10] پلی ساکاریدها اکثرا درشت مولکول هایی با وزن مولکولی بالا می باشند که در سامانه های امولسیونی برای پایداری و کنترل ویژگی رئولوژیکی به کار می رود 20]،11،[10 و پروتئین های محلول شیر، درشت مولکولی هستند که به واسطه خواص کاری شان مانند کاهش کشش سطحی و ایجاد لایه محافظ در برابر بهم آمیختگی در بسیاری از فرمولاسیون های غذایی مورد استفاده قرار می گیرند [32] برهمکنش بین بیوپلیمرها نقش مهمی در ساختار فرآورده های غذایی بازی می کنند [5] بنابراین کنترل این برهمکنش فاکتور مهمی در توسعه فرآورده های غذایی جدید می باشد.[15]
امولسیونهای غذایی از نظر ترمودینامیکی وضعیت ناپایداری دارند 11]،[10 و عدم ثبات امولسیون ها در نتیجه تاثیر مکانیسم هایی شامل بهم چسبیدن قطرات فاز پراکنده، بهم آمیختگی قطرات بهم چسبیده، پدیده استوالد رایپنینگ و خامه ای شدن می باشد [26] از این رو برای تشکیل امولسیون و جلوگیری از بهم آمیختگی، عوامل امولسیون کننده در فاز میانی آب و روغن به طور کافی باید در دسترس باشند [11]،
یکی از مراحل ایجاد امولسیون، کاهش اندازه قطرات توسط دستگاه های امولسیفیکاسیون می باشد. طی فرآیند آماده سازی امولسیون، ابتدا سطح مشترک بین دو فاز تغییر شکل پیدا کرده و سپس تخریب قطرات و در نهایت تشکیل قطرات ریز اتفاق می افتد 19]،14،[13 از جمله این روش ها، فرآیند فراصوت می باشد، امواج فراصوت با ناپایدار کردن سطح مشترک روغن₋آب از طریق ارتعاش یا لرزش1سطح و سپس با تخریب قطرات روغن بوسیله کاویتاسیون در ایجاد امولسیون نقش دارند 31]،.[14 بنابراین با تاثیر قابل توجه بر اندازه قطرات روغن در نتیجه پایداری امولسیون ها و ممانعت از پدیده هایی مانند تجمع و خامه ای شدن، حفظ رنگ، ظاهر، بافت و ویژگی های مطلوب رئولوژیکی [19]، در این پژوهش از این نوع هموژنایزر جهت تهیه امولسیون روغن در آب استفاده شد.
صمغ فارسی، صمغی شفاف بوده و از درخت ارژن - بادام کوهی - از خانواده گلسرخیان2 بدست می آید این صمغ پلی ساکاریدی محلول در آب با قدرت بالای جذب آب بود و علاوه بر مصارف صنعتی و امروزه به عنوان عامل سوسپانسیونه کننده و امولسیون کننده همراه کتیرا و صمغ عربی در داروسازی به مصرف میرسد [1]از سوی دیگر در رابطه با ویژگی های کاری این صمغ تاکنون مطالعات چندانی انجام نشده است و از معدود کارهای گزارش شده می توان به تاثیر فاز محلول این صمغ در پایداری سازی مخلوط شیرBآب پرتقال [4]و امکان استفاده از فاز نامحلول آن برای تهیه پاستیل اشاره کرد [3]
تاثیر پلی ساکاریدهای باردار در سامانه های امولسیونی در حضور و عدم حضور پروتئین های محلول شیر مانند تاثیر اگزوپلی ساکاریدها [9] آلژینات [29]، زانتان [33] ، کاراگینان [16]، گوار و کاراگینان [12]صمغ تخم کتان [23]، صمغ حاصل از دانه آلیزووم [24] بررسی شده اما تاکنون اثر صمغ فارسی در این سامانه ها، مورد بررسی قرار نگرفته است. از این رو، هدف این پژوهش بررسی خواص کاری صمغ فارسی به عنوان منبع جدید صمغ در ایجاد و پایداری امولسیون روغن در آب در حضور و عدم حضور پروتئین های محلول شیر و با دو روش ایجاد امولسیون - فراصوت و همگن ساز - و تاثیر عوامل مختلف دیگر از عوامل متغیر فرایند فراصوت - شدت، دما و زمان - و نسبت صمغ به پروتئین و ... می باشد.
مواد و روشها مواد شیمیایی مورد استفاده و پروتئین پنیر - 35% - در این پژوهش از شرکت مرک آلمان خریداری شدند. صمغ فارسی از فروشگاه های عطاری شهرشیراز خریداری شد. همچنین روغن آفتابگردان - صافولا بهشهر-ایران - تهیه گردید.
جدول:1 فرمولاسیون امولسیون های حاوی صمغ فارسی و پروتئین محلول شیر تحت تاثیر تیمارهای مختلف
آماده سازی محلول صمغ و پروتئین
پس از تمیز کردن صمغ با آسیاب برقی 1KA-werke - مدل - M20 به صورت پودر درآمده و برای تهیه محلول های بافر، از پتاسیم دی هیدروژن فسفات استفاده شد. به منظور آماده سازی محلول صمغ، پس از توزین، به طور آرام آرام به محلول بافر اضافه شد. جداسازی فاز محلول از فاز نامحلول - صمغ کامل - بعد از گذشت 24 ساعت به طور طبیعی صورت گرفت. لازم به ذکر است از آنجائی که صمغ فارسی از حدود 25-20 درصد بخش محلول و 80-75 درصد فاز نامحلول تشکیل شده، بر این اساس صمغ با غلظت 2 درصد معادل 0/4 یا 0/5 درصد بخش محلول در نظر گرفته شد. محلول تغلیظ شده پروتئین سرمی پس از توزین با هم زن مغناطیسی صورت گرفت. سپس برای تهیه مخلوط پروتئین و صمغ، پس از اضافه کردن محلول پروتئین به محلول صمغ در نسبت های مختلف، عمل هم زدن 10 - دقیقه - با همزن مغناطیسی انجام گرفت، سپس به پ هاش مورد نظر رسانده شد.
تهیه نمونه های امولسیون برای تهیه امولسیون با افزودن فاز روغنی - حجمی/حجمی - با افزودن روغن به محلول صورت گرفت. برای دستیابی به قطرات ریز امولسیون از دستگاه فراصوت - میسونیکس-سونیکیتور، مدل 4000، ساخت کشورآمریکا - و یا همگن ساز - هیدولف، مدل MR 3001K ساخت کشور آلمان - استفاده شد. پایداری امولسیون پس از تهیه نمونه های امولسیون، آنها را درون لوله آزمایش تا ارتفاع مورد نظر ریخته - این لوله ها تا ارتفاع 10 سانتی متر از سمت پایین نشانه گذاری شد - معادل - %100 و سپس پایداری امولسیون از طریق فرمول شماره [20] - 1 - و شاخص خامه ای شدن با استفاده از فرمول - 2 - محاسبه شد 17]،.[16
بررسی اندازه قطرات اندازه گیری متوسط اندازه قطرات3، ناحیه سطح خاص4و قطر متوسط سطح به حجم توسط دستگاه مستر سایزر - مدل 4000 ساخت کشور انگلستان - بر اساس پراکنش لیزر توسط در دمای محیط صورت گرفت. اندازه قطرات امولسیون ها بعد از 24 ساعت نگهداری در دمای یخچال انجام شد. نتایج و بحث پایداری امولسیون مطابق نتایج حاصل امولسیون حاوی صمغ فارسی در غلظت های بالاتر به مدت چند روز پایدار ماند که البته امولسیون تهیه با روش همگن ساز در مدت زمان کوتاه تری دو فاز شد. اما در هر حال این صمغ همانند پروتئین باعث پایداری امولسیون نشده چرا که اکثرا صمغ ها هیدروکلوئیدهایی آبدوستی هستند که اصولا دارای فعالیت سطحی نمی باشند [11]، بنابراین نمی تواند به عنوان امولسیون کننده باعث امولسیفیکاسیون فاز روغنی شود و به نظر می رسد بیشتر بواسطه افزایش ویسکوزیته فاز آبی با احاطه قطرات فاز پراکنده باعث پایداری امولسیون می شود 23]،[10، اما با گذشت زمان در اثر حرکات براونی، تجمع و بهم آمیختگی را بدنبال دارد که در نهایت موجب جداسازی فاز شد.
مقایسه پایداری امولسیون های حاوی صمغ بتنهایی - جدول - 2 نشان داد که با افزایش غلظت صمغ از 0/5 به 1 درصد، پایداری امولسیون به ویژه بعد از 20 روز نگهداری افزایش و سرعت خامه ای شدن کاهش یافت. علت ناپایداری امولسیون در غلظت پایین صمغ را می توان به حرکت آزادانه قطرات روغن در سیستم نسبت داد به گونه ای که در این غلظت از صمغ، نیروهای ضعیف ویسکوز در فاز آبی برای جلوگیری از برخورد قطرات روغن کافی نبوده و در اثر برخورد با یکدیگر منجر به تجمع قطرات می شود [28]که البته با گذشت زمان نیز در اثر افزایش برخورد قطره-قطره، فلوکه-قطره و فلوکه- فلوکه، و حرکات براونی [6] میزان قطرات فلوکه شده افزایش می یابد. بنابراین با توجه به افزایش اندازه شعاع قطرات فلوکه شده نسبت به قطرات فلوکه نشده در امولسیون، بر اساس قانون استوکس، خامه ای شدن تسریع می شود .[27] نتایج این آزمون پس از 20 روز از بررسی مجدد، نشانگر این موضوع می باشد. در ضمن، معمولا پدیده تجمع در حضور صمغ های غیرجاذب از نوع تجمع سازی تخلیه ای5 می باشد [9] که علاوه بر فاز خامه ای منجر به جداسازی فاز سرمی هم می شود. همچنین، وقوع فلوکولاسیون تخلیه ای در فاز پیوسته امولسیون علاوه بر افزایش نیروی جاذب بین قطرات، به علت ایجاد فشار اسمزی در بین قطرات، باعث نزدیک شدن قطرات به یکدیگر و بوجود آمدن این نوع فلوکولاسیون می شوند 28]،27،.[7
جدول:2 تاثیر غلظت های مختلف فاز محلول صمغ فارسی و زمان نگهداری در یخچال بر پایداری امولسیون ها - درصد جداسازی فاز -
همچنین به نظر می رسد علت افزایش پایداری امولسیون با افزایش غلظت صمغ، مربوط به افزایش گرانروی باشد. چرا که هیدروکلوئیدها اصولا مولکول های آبدوست هستند که با حضورشان از طریق افزایش فضای آبی پیوسته اطراف قطرات فاز پراکنده و تثبیت آن ها در شبکه ژل مانند با ایجاد ممانعت فضایی، سرعت خامه ای شدن را کاهش و در نتیجه پایداری امولسیون را افزایش می دهند [20] در واقع این ترکیبات با تغییر رفتار رئولوژیکی در نواحی بین قطرات روغن، سرعت جداسازی فاز را کنترل می کنند .[11]
مطابق نتایج حاصل از تاثیر شدت های مختلف فراصوت 50 - ، 70، 100 درصد - در امولسیون حاوی صمغ، با افزایش شدت فرآیند فراصوت از 50 به 100 درصد پایداری امولسیون افزایش پیدا کرد. علت کاهش پایداری در شدت 50 درصد، احتمالا انرژی لازم برای کاهش اندازه قطرات کافی بوده، به طوری که قطرات فاز پراکنده در امولسیون با سرعت بیشتری تجمع یافته و جدا شدند، از طرفی با افزایش شدت فرایند، دانسیته انرژی بیشتر [19] طی فرآیند باعث کاهش بیشتر اندازه قطرات شده، در نتیجه فرآیند خامه ای شدن با سرعت کمتری اتفاق می افتد از این رو می توان گفت افزایش شدت فرآیند بر کاهش بیشتر اندازه قطرات موثر بوده است اما علت جداسازی فازها پس از گذشت زمان با توجه به آن چه گفته شد احتمالا این غلظت از صمغ 0/5 - درصد - برای پایداری امولسیون کافی نبوده و در نتیجه از طریق فلوکولاسیون تخلیه ای باعث ناپایداری امولسیون می شوند. همچنین مطابق نتایج حاصل از تاثیر دماهای مختلف فراصوت 20 - ، 30، 40 درجه سانتی گراد - با افزایش دما از 20 به 40 درجه، پایداری امولسیون تاحدی افزایش پیدا کرد به طوری که نمونه امولسیون تهیه شده در دمای 20 درجه سانتی گراد پس از 7 روز نگهداری، تجمع فاز روغنی با سرعت بیشتری صورت گرفت. گرچه امولسیون های تهیه شده در دماهای ذکر شده نیز پس از 20 روز همگی سه فاز شدند اما فاز خامه ای نمونه امولسیون تهیه شده در دمای 40 درجه سانتی گراد از دو نمونه دیگر کمتر بود.
بنابراین، با توجه به نتایج گزارش شده می توان گفت با افزایش دمای فراصوت، پایداری نمونه امولسیون تا حدی افزایش می یابد. در این ارتباط گزارش شده دمای بالای فرآیند فراصوت موجب کاهش فشار لاپلاس و کشش بین سطحی می شود از این رو منجر به کاهش انرژی ترمودینامیکی مورد نیاز برای ایجاد امولسیون می شود و تولید قطرات ریز، آسان تر صورت گرفته، از این رو کاهش بیشتر اندازه قطرات، موجب کاهش سرعت فرآیند خامه ای شدن خواهد شد.]19[ همچنین با اشاره به اینکه افزایش دما در طی فرایند منجر به کاهش ویسکوزیته ظاهری می شود از این رو با غلبه بر تاثیر گرانروی در افزایش انرژی مصرفی در محیط برای فروپاشی قطرات روغن، باعث کاهش اندازه قطرات فاز پراکنده می گردد [24] و این دلایل اشاره شده در کاهش اندازه قطرات فاز پراکنده و در نتیجه کاهش سرعت خامه ای شدن موثر می باشند.
در ارتباط با تاثیر مدت زمان فرآیند فراصوت بر پایداری امولسیون همان گونه که مشاهده شد با افزایش مدت زمان فرایند از 2 به 4 دقیقه، پایداری امولسیون افزایش یافت به طوری که امولسیون فرآیند شده در مدت 4 دقیقه بعد از 7 روز نگهداری فاز خامه ای به طور ناچیزی جدا شد به گونه ای که سرعت تجمع قطرات روغن در امولسیون کاهش یافت. پس از 20 روز هر دو نمونه علاوه به فاز خامه ای و سرمی جدا شدند، با این تفاوت که با افزایش زمان فرایند، سرعت جداسازی کاهش یافت. افزایش زمان فراصوت باعث تخریب و تغییر شکل بیشتر قطرات روغن می شود، لذا این امر در کاهش اندازه قطرات بیشتر موثر می باشد و این کاهش خود عامل موثری در کاهش سرعت خامه ای شدن امولسیون می باشد .[18]
