Цель диссертации — исследовать процессы замораживания и сублимационной сушки высококонцентрированных систем. Описаны системы, исследованные в настоящей работе, а также методы/оборудование, необходимые для проведения этого исследования. Все начинается с формулирования систем, а затем переходит к подготовке образца. Показаны основные процессы в этом исследовании — замораживание и лиофилизация, а также характерные методы кристаллизации и лиофилизации образцов.
Материалы
Выбор материала был основан на требовании к высокой растворимости, поскольку в настоящей работе основное внимание уделялось изучению обработки (замораживание и сублимационная сушка) систем с высоким содержанием твердых веществ. Сахароза, мальтоза и гуммиарабик представляют собой углеводные системы, часто встречающиеся в пищевых продуктах с низкой (сахароза, мальтоза) и высокой (гуммиарабик) молекулярной массой. Все они обладают высокой растворимостью (≥ 60%).
Сахароза, также известная как столовый сахар, представляет собой дисахарид (α-глюкопиранозил-β-D-фруктофуранозид), обычно используемый в пищевых продуктах. Это хорошо изученная система с хорошо описанной фазовой диаграммой и растворимостью 67% при комнатной температуре. Растворы сахарозы использовались в экспериментах по кристаллизации и лиофилизации (Засыпкин и Ли, 1999, Зумбе, Ли и др., 2001, Хиндмарш, Бакли и др., 2004).
Влияние вязкости на кинетику кристаллизации изучали путем добавления карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) к растворам сахарозы при сохранении одинакового общего содержания влаги (концентрации воды) в системе. КМЦ представляет собой пищевой загуститель и использовался здесь для повышения вязкости системы.
Мальтоза — еще один тип дисахарида (содержит две молекулы глюкозы), который использовался в калориметрических экспериментах для сравнения с сахарозой и изучения влияния различных растворенных веществ (с одинаковой молекулярной массой) на кристаллизацию воды при замораживании.
Гуммиарабик – это натуральная камедь с высокой молекулярной массой (от 105 до 106). Были приготовлены системы с содержанием твердых веществ до 60% и сравнены с системами сахарозы (с/без КМЦ) в исследованиях скорости роста кристаллов и сублимационной сушки. Также готовили смесь сахарозы и раствора гуммиарабика для изучения влияния добавления высокомолекулярного компонента на качество лиофилизированного продукта.
Кофе – сложная, многокомпонентная система, а сублимированный кофе – настоящий продукт в производстве. В этом исследовании в исследованиях кристаллизации и сублимационной сушки использовались кофейные растворы с концентрацией до 70%.
Сахарозу, использованную в экспериментах, купили в местном супермаркете. Лиофилизированные гранулы кофе были получены от компании. И сахарозу, и кофе хранили в герметичном контейнере, чтобы уменьшить воздействие влаги из атмосферы. Все остальные использованные химикаты, т.е. КМЦ, мальтоза и гуммиарабик, были приобретены у Sigma-Aldrich.
Подготовка проб. Растворы сахарозы
Готовили растворы сахарозы с содержанием сухого вещества 10, 20, 30, 40, 50 и 60%. Концентрация здесь относится к массовой доле.
Необходимое количество сахарозы добавляли в стакан с дистиллированной водой. Смесь накрывали парафильмом, чтобы уменьшить потери пара во время растворения, и перемешивали при магнитной мешалке (пластиковая мешалка Stuart CB162) при комнатной температуре до тех пор, пока раствор не стал прозрачным.
Растворы мальтозы
Готовили растворы мальтозы с содержанием сухих веществ 5, 10, 15, 20, 40, 60 и 70%. Необходимое количество мальтозы добавляли в стакан с дистиллированной водой. Смесь накрывали парафильмом, чтобы уменьшить потери пара при растворении, и перемешивали при магнитной мешалке (пластиковая мешалка Stuart CB162) при комнатной температуре до тех пор, пока раствор не стал прозрачным.
Растворы сахарозы и КМЦ (карбоксиметилцеллюлозы)
Готовили два раствора сахароза/КМЦ с фиксированным содержанием воды 40% (мас./мас.); один с 59% сахарозы и 1% КМЦ, а другой с 59,5% сахарозы и 0,5% КМЦ. Для приготовления этих растворов сахарозу сначала растворяли в дистиллированной воде, затем постепенно добавляли в систему необходимое количество ЦМЦ и перемешивали при комнатной температуре до полного растворения.
Раствор гуммиарабика
Были приготовлены растворы гуммиарабика с содержанием сухих веществ 50% и 60%. Гуммиарабик медленно добавляли в стеклянную банку с дистиллированной водой при интенсивном перемешивании. Банку закрывали и перемешивали до полного растворения углеводов (на это требовалось 24-36 часов). Пену, образовавшуюся при растворении, отбрасывали.
Растворы сахарозы и гуммиарабика
Шесть растворов сахарозы/гуммиарабика (с общим содержанием сухих веществ 10, 20, 30, 40, 50 и 60%) готовили с фиксированным количеством гуммиарабика в концентрации 1% (по массе). Для приготовления этих растворов сахарозу сначала растворяли в дистиллированной воде, затем постепенно добавляли в систему необходимое количество гуммиарабика и перемешивали при комнатной температуре до полного растворения.
Кофе
Были приготовлены растворы кофе с содержанием сухих веществ 30, 50, 60 и 70%. Лиофилизированные кофейные гранулы постепенно добавляли в химический стакан с дистиллированной водой при интенсивном перемешивании сверху (Radleys RS100 control plus). Необходимо было продолжать перемешивание до тех пор, пока кофе и вода не будут хорошо перемешаны. Для приготовления раствора использовали сублимированные кофейные гранулы, поскольку концентрацию твердого вещества можно контролировать.
Предварительная обработка проб
В этом разделе объясняется предварительная обработка образцов перед дальнейшим изучением кристаллизации и сублимационной сушки.
Аэрация
Аэрация проводилась с целью изучения влияния пузырьков воздуха на кристаллизацию воды в различных системах. Методы аэрации образцов показаны ниже.
Аэрация сахарозы-КМЦ
Для исследования аэрации был выбран раствор 59% сахарозы + 1% ЦМЦ, поскольку он достаточно вязкий, чтобы удерживать пузырьки воздуха во время замораживания. В случае 60% сахарозы пузырьки воздуха исчезали в течение 2 мин после аэрации. Для аэрации образца использовали ручной миксер (Andrew James HJ2105). 100 г раствора сахарозы/КМЦ выливали в химический стакан, затем перемешивали в режиме 1 в течение 1 минуты, пока объем раствора не увеличился с 80 мл до 100 мл. Объем определялся по этикетке стеклянного стакана. В результате этого процесса были созданы системы, в которых пузырьки воздуха были четко видны и были стабильны под микроскопом до завершения эксперимента по кристаллизации.
Аэрация гуммиарабика
Раствор гуммиарабика с концентрацией 50% аэрировали так же, как и систему сахароза-КМЦ, а примеры изображений, сделанных под микроскопом до и после аэрации, показаны на рисунке 5-20.
Аэрация кофейного раствора
Образцы кофе аэрировали для достижения целевой плотности. Для 50%-ных систем целевая плотность составляла примерно 70 г/мл, тогда как для 60%-ного кофе целевая плотность составляла примерно 60%.
Для достижения заданной плотности 50% кофе аэрировали ручным миксером (Andrew James HJ2105) в режиме 1 в течение 30 секунд. 60% кофе был слишком вязким, и ручной миксер не смог его аэрировать, поэтому вместо него был использован блендер (Kenwood CH180A). Блендер был наполовину наполнен 60% кофе и работал на режиме 1 в течение 1 минуты для достижения желаемой густоты.
Заморозка
Во время экспериментов по замораживанию использовались два разных метода и оборудование, они показаны ниже.
Стадия Пельтье
Для обеспечения точного контроля температуры образца использовался столик Пельтье (Linkam, LTS 120). Этап предлагал различные скорости охлаждения в диапазоне от 0,1°С/мин до 30°С/мин. Самая низкая рабочая температура -24°C была достигнута с помощью рециркуляции воды из охлаждаемой водяной бани (Grant). Стол позволял напрямую визуализировать всю охлаждающую поверхность (квадрат 4х4 см) с помощью прозрачной крышки толщиной 4 мм. Крышка служила для изоляции образца от окружающей среды и уменьшения мешающего воздействия влаги и температуры атмосферы на замораживаемый образец.
Быстрая заморозка
Для замораживания образца перед сублимационной сушкой использовали низкотемпературный аппарат быстрого замораживания CO2 Eliminator (Bright Clini-RF). Самая низкая температура, которую может достичь быстрая заморозка, составляет -80°C. Температурно-временной профиль образца может быть записан во время замораживания с помощью регистратора данных (Pico Technology, TC-08) и термопар (Omega).
Сублимационная сушилка
Для сублимационной сушки использовали сублимационную сушилку VirTis adVantage. Циклы сублимационной сушки можно настроить в центре обработки данных Wizard 2.0. Температуру полки, температуру/давление в камере и продолжительность каждой стадии сублимационной сушки можно запрограммировать перед запуском цикла сублимационной сушки. Измерения температуры образца проводились с помощью термопар и встроенного регистратора данных. Профиль температуры и времени можно экспортировать в электронную таблицу Excel с помощью программного обеспечения Wizard 2.
Контейнер, используемый во время сублимационной сушки
Эксперименты по сублимационной сушке сахарозы (см. главу 6) проводились в стеклянных флаконах для сублимационной сушки (SCHOTT, VCDIN10R), внутренний диаметр которых составляет 24 мм, а объем — 10 мл. Этот тип стеклянных флаконов широко использовался в исследованиях сублимационной сушки, и они позволяют непосредственно наблюдать за образцом во время и после сублимационной сушки.
Эксперименты по сублимационной сушке кофе проводились в формах для тортов (купленных в местном супермаркете). Формы для тортов изготовлены из металла, внутренний диаметр 8,5 см. Формы для тортов использовались из-за их хорошей теплопроводности и сходства с металлическим противнем для заморозки, используемым при производстве.
Циклы сублимационной сушки
Сублимационная сушка состоит из трех этапов: замораживание, первичная сушка и вторичная сушка. Заморозка осуществлялась в камере быстрой заморозки. Сублимационная сушка не была предпочтительной для этапа замораживания, поскольку дверца камеры была герметично закрыта, поэтому невозможно было проводить какую-либо обработку или прямое наблюдение за образцом. Два других этапа: первичная сушка (сублимация кристаллов льда) и вторичная сушка (десорбция связанной воды) были проведены в сублимационной сушилке.
Перед переносом замороженного образца из морозильной камеры в лиофилизатор полка лиофилизатора была предварительно охлаждена до температуры ниже -40°C, чтобы уменьшить вероятность таяния льда в образце до начала лиофилизации. После того как образец был помещен в сублимационную сушилку, дверь камеры закрывалась и запускался заранее запрограммированный цикл сублимационной сушки.
В ходе работы использовались разные циклы, и разница заключалась в основном в первичной сушке. Влияние температуры первичной сушки на качество высушенного продукта изучали путем сушки при -20°С и при -40°С. Время первичной сушки было установлено равным 12 часам. После первичной сушки полку нагревали до 20°С для вторичной сушки. Использовались три скорости нагрева: быстрая (устанавливалась на самую высокую скорость, которую может достичь полка, >100 ˚C/час), средняя скорость (10 ˚C/час) и медленная скорость (2 ˚C/час). После того, как температура полки достигла 20 ˚C, она оставалась при этой температуре в течение шести часов во время вторичной сушки. В течение двух этапов сушки давление поддерживалось постоянным на уровне 100 мкбар, что ниже давления водяного пара при этих температурах.
Характеристика лиофилизированных образцов. Содержание влаги
Влажность лиофилизированных образцов оценивали двумя методами:
Метод I
Лиофилизированные образцы помещали в печь (60°С) до тех пор, пока вес образца (измеренный на весах) не становился постоянным.
Каждый образец взвешивали после сублимационной сушки (после) и после сушки в печи (заключительная). Конечную массу образца после сушки в печи принимали за твердое количество образца. Количество влаги в образце рассчитывали по разнице между массой лиофилизированного образца и массой образца после сушки в печи.
Этот метод оказался очень полезным для определения содержания влаги в лиофилизированных образцах гуммиарабика. Однако высокая температура во время сушки в печи может привести к перегреву сахарозы. В некоторых случаях масса образца после сушки в печи была меньше первоначального количества сухих веществ. Таким образом, метод печи использовался только для измерения содержания влаги в лиофилизированной гуммиарабике.
Метод 2
Остаточное содержание влаги в лиофилизированной сахарозе измеряли следующим образом:
Каждый образец взвешивали до (до) и после (после) сублимационной сушки. Количество твердых веществ в образце рассчитывали по концентрации и весу образца перед сублимационной сушкой.
В ходе экспериментов в стеклянный сосуд заливали 400 мл дистиллированной воды и нагревали воду на водяной бане до заданной температуры. После того как температура воды стабилизировалась, верхний смеситель поддерживали на скорости 250 об/мин для энергичного перемешивания воды, и в воду добавляли 8 г образца. Проводимость регистрировали с момента добавления образца в воду до достижения постоянного максимального значения. В экспериментах использовались две температуры водяной бани: 40 ˚C и 55 ˚C (самая высокая рабочая температура водяной бани).