В настоящее время в производстве карамели и конфет жевательной консистенции в качестве структурообразователя и желирующего компонента, способствующего предотвращению процесса кристаллизации масс, широко используют уникальный полисахарид с функциональными свойствами за счет значительного содержания диетической клетчатки (около 90%) - гуммиарабик. По сравнению с другими гидроколлоидами это хорошо растворимый в воде продукт, который имеет очень разветвленную компактную структуру, высокий молекулярный вес − 460.000 (молекулярный вес агара составляет 25.000, агароида - 5.000) и превосходит остальные желирующие компоненты, как по растворимости, так и по скорости гидратации.
Гуммиарабик относится к классу гликопротеинов (биополимеров), молекула которых содержит фрагменты как полисахаридной, так и белковой природы [1]. Составными элементами полисахаридных фрагментов являются мономеры (галактоза, арабиноза, рамноза, глюкуроновая кислота и ее метиловый эфир), связанные β - (1,3) - гликозидной связью с многочисленными разветвлениями, которые состоят из α- и β - галактозы и других сахаров или уриновых кислот. Неотъемлемую часть структуры камеди составляют белковые (полипептидные) фрагменты, содержащие значительное количество гидроксипролина, серина и пролина.
Перед использованием гуммиарабик, который доставляется на производство в порошкообразном состоянии необходимо сначала растворить в воде. В данной работе для полного растворения гуммиарабик в различных количествах замачивали в воде при комнатной температуре - 24 оС медленно перемешивая, для предотвращения интенсивного пенообразования продукта за счет насыщения его воздухом. При внесении высокомолекулярного вещества в воду вначале происходит равномерное распределение молекул растворенного вещества в растворе. Далее в результате теплового движения конфигурация свернутых в клубок гибких нитей из высокомолекулярных соединений начинает постепенно изменяться, между гибкими цепями образуются небольшие пространства, в которые диффундируют молекулы воды. За счет увеличения движений отдельных участков гибких цепных молекул, сопровождающихся выделением теплоты, происходит постепенное разрушение связей между макромолекулами, их гидратация и набухание. На последней стадии растворения связи между отдельными макромолекулами ослабляются и от основной массы отрываются вещества, которые диффундируют в среду, образуя однородный раствор.
О структурообразовании растворов гуммиарабика судили по изменению относительного показателя - консистенции раствора которую определяли с помощью экспресс-анализатора консистенции ЭАК-1. Принцип работы прибора основан на измерении величины механического момента сопротивления вращению насадки, погруженной в исследуемый продукт. Это сопротивление пропорционально вязкости продукта, т.е. его консистенции (чем выше вязкость раствора, тем момент сопротивления больше, и наоборот).
Для всех водных растворов гуммиарабика характерно увеличение их консистенции от начального значения K 0 до некоторого установившегося, т.е. предельного, (рисунок 1).
Установлено, что начальная K 0 и предельная Kпр консистенция водных растворов существенно зависят от массовой доли гуммиарабика. С увеличением концентрации гуммиарабика консистенция, а значит и вязкость, повышается, с увеличением массовой доли гуммиарабика продолжительность структурообразования растворов tстр, т.е. время достижения установившегося значения консистенции, увеличивается (рисунок 1, таблица 1). Это можно объяснить высокой степенью разветвленности фракций, входящих в состав гидроколлоида, в результате чего образуется более компактная и устойчивая сетчатая структура гелевого раствора.
Кривые структурообразования 
(рис. 1) имеют S-образный вид, в связи с чем для их математического описания предлагается уравнение
, (1)
гуммиарабик карамель клетчатка полисахарид
где 
- продолжительность структурообразования, мин; K - консистенция раствора в произвольный момент времени, ед. прибора; 
- начальная консистенция раствора в момент времени 
мин, ед. прибора; 
- параметр времени структурообразования, мин; 
- относительная предельная консистенция при 
, ед. прибора.
Таблица 1 − Параметры структурообразования водных растворов гуммиарабика
Массовая доля гуммиарабика, % Консистенция раствора ед. прибора Параметр времени структурообразования T, мин Продолжительность структурообразования tстр, мин Скорость структурообразования 
,
| ед. прибора/мин | ||||||
| начальная K 0 | относительная предельная абсолютная предельная 
| |||||
| 40,3 | 0,082 | |||||
| 52,5 | 0,078 | |||||
| 80,0 | 0,074 | |||||
| 98,1 | 0,071 |
Применимость уравнения (1) для описания S-образных зависимостей была ранее проверена для процессов структурообразования помадных масс порошковой технологии и охлаждения отформованных помадных корпусов, а также ряда других процессов [2 − 6].
Относительную предельную консистенцию определим следующим образом. Известно [6, 7], что финишные участки экспоненциальных и S-образных зависимостей, к которым можно отнести искомые зависимости (рис. 1), достаточно адекватно аппроксимируются гиперболической зависимостью вида
, (2)
где a 0, a 1 - эмпирические коэффициенты; 
- продолжительность структурообразования, мин; 
, 
- соответственно, консистенция раствора в начальный и произвольные моменты времени, ед. прибора.
В качестве финишных участков кривых 
приняты участки от 200 до 540 мин.
Разделив числитель и знаменатель выражения (2) на 
, получим
. (3)
При 
каждая кривая (рисунок 1) стремится к своей асимптоте и 
:
. (4)
Формулу (2) преобразуем следующим образом: 
, далее введем линеаризующую замену переменных: 
; 
; 
; 
, в результате чего получим выражение
. (5)
Таким образом, коэффициент 
, входящий в последнее уравнение, а значит и относительная консистенция, может быть определен как тангенс угла наклона прямой (5) к оси абсцисс в координатах 
(таблица 1).
Абсолютная предельная консистенция 
, ед. прибора, определяется как сумма 
(таблица 1).
Параметр времени структурообразования 
, входящий в уравнение кинетики структурообразования (1), определим путем дифференцирования уравнения (1) по 
, при этом получим выражение, описывающее изменение скорости структурообразования 
(рисунок 2)
. (6)
Дифференцируя последнее выражение, получим
. (7)
Приравнивая выражение (7) к нулю и решая полученное уравнение относительно , находим 
. Таким образом, параметр времени структурообразования , входящий в кинетическое уравнение (1), есть время максимального структурообразования водного раствора гуммиарабика (таблица 1).
Используя метод наименьших квадратов, получим уравнения, позволяющие рассчитать значения коэффициентов 
и , входящих в уравнение (1), в зависимости от массовой доли гуммиарабика C, %,
; (8)
. (9)
Анализ кривых скорости структурообразования (рисунок 2) показал, что максимальная скорость структурообразования 
ед. прибора/мин наблюдается для водных растворов с массовой долей гуммиарабика 25%, время максимального структурообразования составляет 
мин (таблица 1). С увеличением массовой доли гумммиарабика экстремумы на кривых скорости структурообразования (рисунок 2) уменьшаются, а время их появления увеличивается, т.е. интенсивность протекания структурообразовательных процессов снижается.
Это объясняется тем, что при меньших концентрациях раствора растворимость и набухаемость полисахаридов, входящих в состав гуммиарабика, происходят более интенсивно за счет полного проникновения молекул воды в пространственную решетку продукта и диффундирования его молекул в раствор.
Снижение интенсивности протекания процесса структурообразования с увеличением гуммиарабика объясняется замедлением в концентрированных растворах равномерного распределения молекул растворенного вещества в растворе, поэтому для полной гидратации молекул за более короткий срок продукт рекомендуется замачивать в воде в соотношении 1:4.
Полученные результаты подтвердили, что растворы гуммиарабика обладают слабой студнеобразующей способностью, при этом процессы набухания и растворения исследуемого вещества происходят достаточно долго, что можно объяснить его высокой молекулярной массой.
Литература
гуммиарабик карамель клетчатка полисахарид
1. Fibregum - пищевое растворимое диетическое волокно, идеально подходящее для применения в разнообразных продуктах питания [Текст] // Пищевая промышленность. - 2004. − №11. - С. 80.
. Журавлев, А.А. Разработка процесса и устройства для смешивания и формования помадной массы на основе порошкообразного сахаро-паточного полуфабриката. Дисс. канд. техн. наук / Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2004. - 216 с.
. Журавлев, А.А. Аналитическое описание S-образных кривых [Текст] // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сборник научных трудов. Выпуск 10. - Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2002. С. 47 - 49.
. Магомедов, Г.О. Компрессионные свойства помадной массы порошковой технологии [Текст] / Г.О. Магомедов, А.А. Журавлев // Производство продуктов питания из растительного сырья: свершения и надежды: Сб. науч. тр. - Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2002. С. 112 - 119.
. Магомедов Г.О. Влияние избыточного давления на плотность кондитерских зерновых масс [Текст] / Г.О. Магомедов, Е.В. Шакалова, А.А. Журавлев, Л.А. Бибишева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №6. - С. 25 - 27.
6. Дерканосова, Н.М. Практикум по моделированию и оптимизации потребительских свойств пищевых продуктов [Текст]: учебное пособие / Н.М. Дерканосова, А.А. Журавлев, И.А. Сорокина. - Воронеж: ООО «Главреклама», 2009. - 167 с.
7. Львовский, Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул [Текст] / Е.Н. Львовский. - М.: Высш. школа, 1982. - 240 с.