ΛΑΖΑΡΙ ΟΥ ΑΘΗΝΑ ΣΧΕΣΕΙΣ ΟΜΗΣ ΚΑΙ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΚΑΙ ΥΨΗΛΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΙΑΛΥΤΗ. ιδακτορική διατριβή

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΛΑΖΑΡΙ ΟΥ ΑΘΗΝΑ ΣΧΕΣΕΙΣ ΟΜΗΣ ΚΑΙ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΚΑΙ ΥΨΗΛΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΙΑΛΥΤΗ ιδακτορική διατριβή Επιβλέπων καθηγητής: Μπιλιαδέρης Κων/νος Θεσσαλονίκη 2003

2 Θα ήθελα να εκφράσω τις θερµές µου ευχαριστίες στον επιβλέποντα καθηγητή Κ. Μπιλιαδέρη για την ευκαιρία που µου έδωσε να πραγµατοποιήσω τη µελέτη αυτή, καθώς και για την πολύτιµη καθοδήγηση, αµέριστη υποστήριξη και άριστη συνεργασία κατά την εκπόνηση και συγγραφή αυτής της διατριβής. Ευχαριστώ θερµά την Dr. M. Izydorczyk από το Grain Research Laboratory (Αgriculture Canada), Winnipeg, Καναδά για τη διεξαγωγή των µετρήσεων των ολιγοσακχαριτών µε χρωµατογραφία ανιοανταλλαγής υψηλής απόδοσης (HPAEC) µε παλµική αµπεροµετρική ανίχνευση (PAD). Ευχαριστώ επίσης θερµά τους ερευνητές Dr. Μ. Μίχα Σκρέττα και Dr. B. Steele από το Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών (Ε.Ι.Ε.) για την πολύτιµη βοήθειά τους στη διεξαγωγή και ερµηνεία των πειραµάτων των 1 Η και 13 C-NMR που πραγµατοποιήθηκαν στο Ε.Ι.Ε. και των πειραµάτων 2D-NMR που πραγµατοποιήθηκαν στο ηµόκριτο. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τη φίλη και συνεργάτη Χ. Βαϊκούση για τη συµπαράσταση και την άριστη συνεργασία µας, καθώς και το συνάδελφο Β. Κοντογιώργο για την πολύτιµη βοήθεια του κατά τη διεξαγωγή µέρους της πειραµατικής δουλειάς. Τέλος ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω στην οικογένειά µου για την αµέριστη ηθική και υλική υποστήριξη. Η οικονοµική ενίσχυση για την πραγµατοποίηση της διδακτορικής αυτής διατριβής προήλθε από το Ερευνητικό Πρόγραµµα του Υπουργείου Βιοµηχανίας, Ενέργειας και Τεχνολογίας ΠΕΝΕ 99Ε 601 Χαρακτηρισµός και µελέτη των λειτουργικών ιδιοτήτων της βιοτεχνολογικά παρασκευαζόµενης ξανθάνης και πουλλουλάνης ( ) και το Ερευνητικό Ευρωπαϊκό Πρόγραµµα Shared Cost RTD QLRT , Design of foods with improved functionality and superior health effects using cereal beta-glucans ( ).

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ.. ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... ΠΕΡΙΛΗΨΗ. ABSTRACT.. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πρόλογος-σκοπός µελέτης Συστήµατα υψηλής συγκέντρωσης διαλύτη Ρεολογική συµπεριφορά πολυσακχαριτών στο διάλυµα και στην πηκτή Επίδραση χηµικής δοµής πολυσακχαριτών στη διαµόρφωση της αλυσίδας στο διάλυµα και στην πηκτή Κρυοπηκτές Συστήµατα χαµηλής συγκέντρωσης διαλύτη Μεταβολές στη φυσική κατάσταση των υλικών Επίδραση διαφόρων παραγόντων στη µοριακή κινητικότητα Μοντέλα περιγραφής µεταβολών στις φυσικές ιδιότητες των άµορφων υλικών Η θερµοκρασία υαλώδους µετάπτωσης ως δείκτης σταθερότητας στα τρόφιµα Μοριακά χαρακτηριστικά εφαρµογές των υπό µελέτη πολυσακχαριτών (1 3), (1 4) β-γλυκάνες Πουλλουλάνη Χιτοσάνη Άµυλο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Υλικά Προετοιµασία δειγµάτων Συστήµατα χαµηλής συγκέντρωσης διαλύτη Σχηµατισµός κρυοπηκτών Χηµικές-ενζυµικές αναλύσεις Ποσοτικός προσδιορισµός πρωτεϊνών Ποσοτικός προσδιορισµός β-γλυκανών Χαρακτηρισµός µοριακής δοµής πολυσακχαριτών Χρωµατογραφία Aποκλεισµού Mεγέθους Yψηλής Απόδοσης (High Performance Size Exclusion Chromatograph, HPSEC) Χρωµατογραφία Aνιοανταλλαγής Yψηλής Απόδοσης µε Παλµική Αµπεροµετρική Ανίχνευση (High Performance Anion Exchange Chromatograph Pulsed Amperometric Detection, HPΑEC-PAD) Φασµατοσκοπία πυρηνικού µαγνητικού συντονισµού (Νuclear Magnetic Resonance, NMR).. 59 iv vi xi xv i

4 2.5. Ρεολογία Προσδιορισµός εσωτερικού ιξώδους ([η]) µε τριχοειδή ιξωδόµετρα Χαρακτηρισµός ρεολογικής και ιξωδοελαστικής συµπεριφοράς διαλυµάτων και πηκτωµάτων πολυσακχαριτών µε περιστροφικό ρεόµετρο Μέτρηση ιξώδους (η) σταθερού ρυθµού παραµόρφωσης Μηχανικά φάσµατα διαλυµάτων και υδροπηκτών Κινητική σχηµατισµού υδροπηκτών Τήξη υδροπηκτών Μηχανικά φάσµατα κρυοπηκτών Θερµική ανάλυση υναµική Μηχανική Θερµική Ανάλυση (Dynamic Mechanical Thermal Analysis, DMTA) ιαφορική Θερµιδοµετρία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) Μηχανικές δοκιµές µεγάλων παραµορφώσεων οκιµές εφελκυσµού οκιµές συµπίεσης ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Αποµόνωση µοριακός χαρακτηρισµός πολυσακχαριτών Εκχύλιση και καθαρισµός β-γλυκανών δηµητριακών Χαρακτηρισµός της µοριακής δοµής πολυσακχαριτών Προσδιορισµός µοριακού µεγέθους και άλλων µοριακών χαρακτηριστικών µε HPSEC Ανάλυση ολιγοσακχαριτών β-γλυκανών µε HPAEC PAD Χαρακτηρισµός δοµής µε NMR τεχνικές Συστήµατα πολυσακχαριτών υψηλής συγκέντρωσης διαλύτη Ρεολογική συµπεριφορά διαλυµάτων πολυσακχαριτών Επίδραση συγκέντρωσης στο ειδικό ιξώδες διαλυµάτων Χρονικά εξαρτηµένη ρεολογική συµπεριφορά β-γλυκανών Ρεολογία σταθερού ρυθµού διάτµησης και δυναµική ρεολογία β-γλυκανών Σχηµατισµός και ιδιότητες υδροπηκτών β-γλυκανών Μηχανικές δοκιµές µικρών παραµορφώσεων Θερµιδοµετρία Μηχανικές δοκιµές µεγάλων παραµορφώσεων Κρυοπηξία β-γλυκανών Μορφολογικά χαρακτηριστικά και απόδοση κρυοπηκτών Μηχανικές δοκιµές µικρών παραµορφώσεων Θερµιδοµετρία Μηχανικές δοκιµές µεγάλων παραµορφώσεων 152 ii

5 3.3. Συστήµατα πολυσακχαριτών χαµηλής συγκέντρωσης διαλύτη Θερµοµηχανικές ιδιότητες άµορφων πλαστικοποιηµένων πολυσακχαριτών Ιδιότητες εφελκυσµού άµορφων µεµβρανών πολυσακχαριτών ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 198 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (κατάλογος δηµοσιεύσεων) iii

6 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1. Λειτουργικές ιδιότητες πολυσακχαριτών Πίνακας 1.2. Ιδιότητες και µεταβολές των τροφίµων εξαρτώµενες από τη µοριακή κινητικότητα και ελεγχόµενες από το Τg του συστήµατος Πίνακας 2.1. Σύσταση δειγµάτων υπό τη µορφή πλακών ή µεµβρανών χιτοσάνης και µιγµάτων της µε άµυλο ή πουλλουλάνη 55 Πίνακας 3.1. Σύσταση, µοριακά και δοµικά χαρακτηριστικά δειγµάτων β-γλυκανών από βρώµη. 69 Πίνακας 3.2. Σύσταση, µοριακά και δοµικά χαρακτηριστικά δειγµάτων β-γλυκανών από διαφορετικές πηγές προέλευσης. 70 Πίνακας 3.3. Μοριακά χαρακτηριστικά δειγµάτων πουλλουλάνης. 74 Πίνακας 3.4. Εσωτερικά ιξώδη, κρίσιµες συγκεντρώσεις, παράµετροι αλληλοεπικάλυψης αλυσίδων και κλίσεις των γραµµικών περιοχών του διαγράµµατος log(η sp ) 0 log(c[η]) των δεγµάτων πουλλουλάνης 89 Πίνακας 3.5. Εσωτερικά ιξώδη, κρίσιµες συγκεντρώσεις, παράµετροι αλληλοεπικάλυψης αλυσίδων και κλίσεις των γραµµικών περιοχών του διαγράµµατος log(η sp ) 0 log(c[η]) των δειγµάτων β-γλυκανών.. 92 Πίνακας 3.6. Παράµετροι κινητικής πήξης των δειγµάτων β-γλυκανών διαφορετικής πρωτοταγούς δοµής και/ή µοριακού µεγέθους σε συγκέντρωση 8% (w/v), παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C Πίνακας 3.7. Τιµές του συντελεστή συµπίεσης (Ε) και της πραγµατικής τάσης (σ TR ) και παραµόρφωσης (ε TR ) κατά τη θραύση πηκτών β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (θερµοκρασία πήξης 25 o C) 131 Πίνακας 3.8. Τιµές του συντελεστή συµπίεσης (Ε) και της πραγµατικής τάσης (σ TR ) και παραµόρφωσης (ε TR ) κατά τη θραύση και της ελαστικής συνιστώσας (G ) πηκτών β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους που σχηµατίστηκαν σε διαφορετικές θερµοκρασίες πήξης (όλες οι µηχανικές δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν στους 25 o C) 132 Πίνακας 3.9. Τιµές του συντελεστή συµπίεσης (Ε) και της πραγµατικής τάσης (σ TR ) και παραµόρφωσης (ε TR ) κατά τη θραύση πηκτών β-γλυκανών διαφορετικής πηγής προέλευσης (συγκέντρωση 8% w/v και θερµοκρασία πήξης 25 o C). 133 Πίνακας Σύσταση, µοριακά και δοµικά χαρακτηριστικά των β-γλυκανών δηµητριακών που χρησιµοποιήθηκαν για το σχηµατισµό κρυοπηκτών 134 Πίνακας Μακροσκοπικές παρατηρήσεις πάνω στα µορφολογικά χαρακτηριστικά των κρυοπηκτών β-γλυκανών από δηµητριακά 137 Πίνακας Τιµές του συντελεστή συµπίεσης (Ε) και της πραγµατικής τάσης (σ TR ) σε παραµόρφωση 40% κρυοπηκτών β-γλυκανών δηµητριακών (συγκέντρωση β- γλυκάνης στο διάλυµα 3% w/v) σχηµατιζόµενες µετά από 12 κύκλους κατάψυξηςαπόψυξης (όλες οι µηχανικές δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν στους 25 o C). 153 Πίνακας Παράµετροι που υπολoγίστηκαν από την εξίσωση των Gordon-Taylor χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα των Tg δειγµάτων πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους µε ή χωρίς σορβιτόλη (10% επί ξηρού), όπως προσδιορίστηκαν από µετρήσεις DMTA (έναρξη της πτώσης του Ε και κορυφή tanδ, 3 Hz) 165 Πίνακας Παράµετροι που υπολoγίστηκαν από την εξίσωση των Gordon-Taylor χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα των Tg δειγµάτων χιτοσάνης και µιγµάτων αµύλου/χιτοσάνης και πουλλουλάνης/χιτοσάνης µε ή χωρίς σορβιτόλη (30% επί ξηρού), όπως προσδιορίστηκαν από µετρήσεις DMTA (κορυφή tanδ, 1 Hz) Πίνακας Φαινοµενική ενέργεια ενεργοποίησης (Εα) για την α-µοριακή χαλάρωση και παράµετρος ευθραυστότητας (m) για δείγµατα χιτοσάνης και µιγµάτων αµύλου/χιτοσάνης και πουλλουλάνης/χιτοσάνης πλαστικοποιηµένα µε νερό σε διάφορα επίπεδα (π.υ.) iv

7 Πίνακας Φαινοµενική ενέργεια ενεργοποίησης (Εα) για την α- και β-µοριακή χαλάρωση και παράµετρος ευθραυστότητας (m) για δείγµατα πουλλουλάνης πλαστικοποιηµένα µε νερό σε διάφορα επίπεδα (π.υ.) και/ή µε σορβιτόλη σε επίπεδο 10% επί ξηρού (-10s). 171 Πίνακας Παράµετροι της εξίσωσης της κατανοµής Fermi που εφαρµόστηκε σε δεδοµένα συντελεστή ελαστικότητας (Ε) από δοκιµές εφελκυσµού µεµβρανών χιτοσάνης και µιγµάτων αµύλου-χιτοσάνης και πολλουλάνης-χιτοσάνης πλαστικοποιηµένων από νερό και/ή σορβιτόλη (σε επίπεδο 10 και 30% επί ξηρού) v

8 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1.1. Μεταπτώσεις φυσικών καταστάσεων των συστατικών τροφίµων Σχήµα 1.2. Μετάπτωση λύµατος πηκτής Σχήµα 1.3. Εξάρτηση του µηδενικού διατµητικού ιξώδους από τη συγκέντρωση πολυσακχαρίτη µε τυχαία διαµόρφωση αλυσίδων 6 Σχήµα 1.4. Προσδιορισµός εσωτερικού ιξώδους λ-καρραγενάνης (0,075 Μ KCl, ph 7,0, 25 o C) µε την εφαρµογή των εξισώσεων Huggins ( ) και Kraemer ( ). 7 Σχήµα 1.5. Εξάρτηση του ιξώδους υδατικών διαλυµάτων πολυσακχαρίτη από το ρυθµό διάτµησης: (α) πολυµερές µε τυχαία διαµόρφωση αλυσίδας (β-γλυκάνη βρώµης 4,0% w/v) και (β) πολυµερές µε άκαµπτη αλυσίδα (ξανθάνη 0,5% w/w) 9 Σχήµα 1.6. Χαρακτηριστικά µηχανικά φάσµατα ενός αραιού (α) και ενός πυκνού (β) διαλύµατος, και µιας ισχυρής (γ) και µιας ασθενούς (δ) πηκτής πολυσακχαρίτη. 11 Σχήµα 1.7. ιαφορετικοί τύποι αλληλεπιδράσεων ανάµεσα σε αλυσίδες πολυµερών σε συστήµατα πολυσακχαριτών Σχήµα 1.8. ιαφορετικοί µηχανισµοί σχηµατισµού µοριακού δικτυώµατος σε συστήµατα πηκτών πολυσακχαριτών 14 Σχήµα 1.9. Σχηµατικά µοντέλα δικτυώµατος µικτής πηκτής πολυσακχαριτών αποτελούµενης από δύο συστατικά: α) διογκωµένα, β) µε αλυσίδες του ενός πολυµερούς να διεισδύουν στις αλυσίδες του άλλου, γ) διαχωρισµού φάσεων και δ) συζευγµένα 15 Σχήµα Σχηµατικό διάγραµµα µεταβολής της ενθαλπίας και του όγκου µε τη θερµοκρασία. Τm είναι η θερµοκρασία τήξης και Τg 1 και Τg 2 οι θερµοκρασίες υαλώδους µεταβάσης του υλικού κάτω από διαφορετικούς ρυθµούς ψύξης 24 Σχήµα Προσδιορισµός των α- και β-µοριακών χαλαρώσεων µε δυναµική µηχανική θερµική ανάλυση (DMTA) 26 Σχήµα DSC θερµογράµµατα για τον προσδιορισµό (α) της θερµοκρασίας τήξης (Τm) και της λανθάνουσας θερµότητας τήξης ( Η l ), και (β) της υαλώδους µετάβασης (Tg) και της µεταβολής της ειδικής θερµότητας C p στην περιοχή του Τg. 27 Σχήµα DSC θερµογράµµατα πρώτης και δεύτερης σάρωσης µίγµατος πουλλουλάνης ζελατινοποιηµένου αµύλου αραβοσίτου υγρασίας 13,9 (% w/w).. 29 Σχήµα ιάγραµµα καταστάσεων της σακχαρόζης.. 31 Σχήµα Καµπύλες θερµοκρασίας υαλώδους µετάπτωσης µερικών υδατανθράκων. 34 Σχήµα Ρυθµοί µεταβολών ποιοτικής υποβάθµισης ως συνάρτηση της θερµοκρασίας. 39 Σχήµα Γενικευµένη µοριακή δοµή (1 3), (1 4) β-d-γλυκανών δηµητριακών Σχήµα Γενικευµένη µοριακή δοµή της πουλλουλάνης 46 Σχήµα Γενικευµένη µοριακή δοµή χιτοσάνης. 48 Σχήµα Γενικευµένη µοριακή δοµή της αµυλόζης και της αµυλοπηκτίνης.. 50 Σχήµα 2.1. Αποµόνωση καθαρισµός β-γλυκανών από αλεύρι ολικής αλέσεως βρώµης και κριθαριού Σχήµα 2.2. Αποµόνωση καθαρισµός β-γλυκανών από πίτυρο σιταριού Σχήµα 3.1. Αντιπροσωπευτικό χρωµατογράφηµα έκλουσης δείγµατος πουλλουλάνης µε το HPSEC-MALLS-RI σύστηµα.. 73 Σχήµα 3.2. Χρωµατογραφήµατα έκλουσης των δειγµάτων πουλλουλάνης µε το σύστηµα HPSEC- RI. 74 Σχήµα 3.3. Χρωµατογραφήµατα έκλουσης µε το HPSEC- RI σύστηµα των δειγµάτων β-γλυκανών: α) από βρώµη και β)από διαφορετική πηγή προέλευσης. 75 Σχήµα 3.4. Αντιπροσωπευτικό χρωµατογράφηµα έκλουσης µε το σύστηµα HPAEC PAD των ολιγοσακχαριτών των β-γλυκανών από βρώµη µετά από υδρόλυση µε λιχενάση. 78 vi

9 Σχήµα 3.5. Αντιπροσωπευτικά φάσµατα 13 C-NMR των δειγµάτων πουλλουλάνης Σχήµα 3.6. Φάσµατα 13 C-NMR των δειγµάτων β-γλυκανών διαφορετικού µοριακού βάρους από βρώµη Σχήµα 3.7. Φάσµατα 13 C-NMR των δειγµάτων β-γλυκανών από διαφορετική πηγή προέλευσης (βρώµη, κριθάρι, σιτάρι, λειχήνες) 84 Σχήµα 3.8. Περιοχή του C-4 των µονάδων A, C και D στα φάσµατα 13 C-NMR δειγµάτων β-γλυκανών από διαφορετική πηγή προέλευσης. 85 Σχήµα 3.9. Οµοπυρηνικά φάσµατα NMR δύο διαστάσεων συσχέτισης 1 Η - 1 Η (COSY) δειγµάτων β-γλυκανών από δηµητριακά. 87 Σχήµα Ετεροπυρηνικά φάσµατα NMR δύο διαστάσεων συσχέτισης 1 Η - 13 C (HSQC) δειγµάτων β-γλυκανών από δηµητριακά Σχήµα Μεταβολή του ειδικού ιξώδους µηδενικού ρυθµού παραµόρφωσης (η sp ) 0 συναρτήσει της συγκέντρωσης c υδατικών διαλυµάτων δειγµάτων πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους (20 ο C). Ένθετο: µεταβολή του ειδικού ιξώδους µηδενικού ρυθµού παραµόρφωσης συναρτήσει της ανηγµένης συγκέντρωσης (c[η]) για δείγµατα πουλλουλάνης Σχήµα Μεταβολή του ειδικού ιξώδους µηδενικού ρυθµού παραµόρφωσης (η sp ) 0 συναρτήσει της ανηγµένης συγκέντρωσης (c[η]) υδατικών διαλυµάτων β-γλυκανών διαφορετικού µοριακού βάρους και διαφορετικής πρωτοταγούς δοµής (20 ο C) Σχήµα Επίδραση του χρόνου αποθήκευσης στο διατµητικό ιξώδες (α) και πειράµατα ανίχνευσης θιξοτροπικής υστέρησης για συνολικό χρόνο διάρκειας του πειράµατος 2 (β) και 50 min (γ) σε διάλυµα β-γλυκάνης από βρώµη (OGL35) συγκέντρωσης 8% (w/v) στους 20 ο C. Τα βέλη δηλώνουν την αύξουσα και φθίνουσα πορεία του ρυθµού διάτµησης Σχήµα Μηχανικά φάσµατα πρόσφατων διαλυµάτων β-γλυκάνης από βρώµη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (παραµόρφωση 0,1%, 20 ο C) Σχήµα Μηχανικά φάσµατα πρόσφατων διαλυµάτων β-γλυκανών δηµητριακών ίδιου µοριακού βάρους σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (w/v) (παραµόρφωση 0,1%, 20 ο C) Σχήµα Εφαρµογή του κανόνα Cox-Merz σε πρόσφατα διαλύµατα β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού βάρους σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (w/v) (20 ο C και παραµόρφωση για τις δυναµικές µετρήσεις ταλάντωσης 0,1%). 101 Σχήµα Εφαρµογή του κανόνα Cox-Merz σε πρόσφατα διαλύµατα β-γλυκανών δηµητριακών διαφορετικού µοριακού βάρους και διαφορετικής πρωτοταγούς δοµής σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (w/v) (20 ο C και παραµόρφωση για τις δυναµικές µετρήσεις ταλάντωσης 0,1%) 102 Σχήµα Γενικευµένη ψευδοπλαστική συµπεριφορά διαλυµάτων β-γλυκανών δηµητριακών διαφορετικού µοριακού βάρους και διαφορετικής πρωτοταγούς δοµής (8% w/v, 20 ο C). Η καµπύλη παριστά την προσαρµογή των πειραµατικών δεδοµένων στην εξίσωση Morris (1990) Σχήµα Εξάρτηση των συνιστωσών G και G από το χρόνο ενός δείγµατος β- γλυκανών βρώµης (OGL110) σε συγκέντρωση 8% (w/v), παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C. Τα ένθετα παρουσιάζουν τα µηχανικά φάσµατα του πρόσφατου διαλύµατος (πάνω) και της σχηµατισµένης πηκτής (κάτω). 106 Σχήµα Εξάρτηση των G, G από το χρόνο δειγµάτων β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους σε συγκέντρωση 10% (w/v), παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C Σχήµα Εξάρτηση των G, G και tanδ από το χρόνο διαλυµάτων β-γλυκανών διαφορετικής πρωτοταγούς δοµής και µοριακού µεγέθους σε συγκέντρωση 8% (w/v), παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C Σχήµα Εξάρτηση του συντελεστή αύξησης της ελαστικότητας (Ι Ε ) και του χρόνου σχηµατισµού πηκτής από το µοριακό µέγεθος δειγµάτων β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους σε συγκέντρωση 10% (w/v), παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C vii

10 Σχήµα Προτεινόµενα µοριακά µοντέλα σχηµατισµού πηκτής από (1 3), (1 4) β-d-γλυκάνες (οι διακεκοµµένες γραµµές υποδηλώνουν δεσµούς υδρογόνου) Σχήµα Επίδραση της συγκέντρωσης στο συντελεστή αύξησης της ελαστικότητας (Ι Ε ) και στο χρόνο σχηµατισµού πηκτής για δύο αντιπροσωπευτικά δείγµατα β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C) 116 Σχήµα Επίδραση της θερµοκρασίας σχηµατισµού πηκτής στο συντελεστή αύξησης της ελαστικότητας (Ι Ε ) και στο χρόνο σχηµατισµού πηκτής για δύο αντιπροσωπευτικά δείγµατα β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και συγκέντρωση πολυσακχαρίτη 8% w/v) 117 Σχήµα Εξάρτηση της µέγιστης τιµής της G της πηκτής από τη συγκέντρωση του πολυµερούς για δύο αντιπροσωπευτικά δείγµατα β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz και θερµοκρασία πήξης 25 o C). 119 Σχήµα Προφίλ τήξης των πηκτών β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους σε συγκέντρωση 10% (w/v) και θερµοκρασία πήξης 25 o C (ρυθµός θέρµανσης 3 o C/min, παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz) 120 Σχήµα Προφίλ τήξης των πηκτών β-γλυκανών διαφορετικής πηγής προέλευσης σε συγκέντρωση 8% (w/v) και θερµοκρασία πήξης 25 o C (ρυθµός θέρµανσης 3 o C/min, παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz). 121 Σχήµα Επίδραση συγκέντρωσης πολυσακχαρίτη (σε θερµοκρασία πήξης 25 o C) και θερµοκρασίας πήξεως (σε συγκέντρωση 8% w/v) στις θερµοκρασίες τήξης των πηκτών β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (ρυθµός θέρµανσης 3 o C/min, παραµόρφωση 0,1%, συχνότητα 1 Hz) Σχήµα Θερµογράµµατα DSC πηκτών που σχηµατίστηκαν µετά από αποθήκευση υδατικών διαλυµάτων β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 10% w/v) στους 25 ή 45 o C για συγκεκριµένους χρόνους (α) και εξάρτηση από το χρόνο της φαινοµενικής µεταβολής της ενθαλπίας, Η, και της θερµοκρασίας τήξης, Tm, των πηκτών β-γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 10% w/v, θερµοκρασία πήξης 25 o C) (β). Οι τιµές Η και Tm αποτελούν τους µέσους όρους πέντε επαναλήψεων και ο ρυθµός θέρµανσης ήταν 5 o C/min 124 Σχήµα Εξάρτηση της φαινοµενικής µεταβολής της ενθαλπίας, Η, από το χρόνο αποθήκευσης των πηκτών β-γλυκανών δηµητριακών ίδιου µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 10% w/v, θερµοκρασία πήξης 25 o C) και θερµογράµµατα DSC πηκτών που σχηµατίστηκαν µετά από αποθήκευση υδατικών διαλυµάτων λιχενάνης και β- γλυκανών βρώµης και κριθαριού ίδιου µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 10% w/v) στους 25 o C για συγκεκριµένους χρόνους (ένθετο). Οι τιµές Η αποτελούν τους µέσους όρους πέντε επαναλήψεων και ο ρυθµός θέρµανσης ήταν 5 o C/min 125 Σχήµα Εξάρτηση από το χρόνο της ελαστικής συνιστώσας (G ) και της φαινοµενικής µεταβολής της ενθαλπίας ( Η) των πηκτών β-γλυκανών δηµητριακών ίδιου µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 10% w/v, θερµοκρασία πήξης 25 o C). Οι µετρήσεις του G έγιναν σε συχνότητα 1 Hz και παραµόρφωση 0,1% και οι µετρήσεις του DSC µε ρυθµό θέρµανσης 5 o C/min 128 Σχήµα Καµπύλες τάσης συµπίεσης (σ)-παραµόρφωσης Hencky (ε Η ) πηκτών β- γλυκανών βρώµης διαφορετικού µοριακού µεγέθους (συγκέντρωση 8% w/v, θερµοκρασία πήξης 25 o C). Η κάθε καµπύλη αποτελεί το µέσο όρο έξι επαναλήψεων 130 Σχήµα Καµπύλες τάσης συµπίεσης (σ)-παραµόρφωσης Hencky (ε Η ) πηκτών β- γλυκανών διαφορετικής πηγής προέλευσης (συγκέντρωση 8% w/v, θερµοκρασία πήξης 25 o C). Η κάθε καµπύλη αποτελεί το µέσο όρο έξι επαναλήψεων Σχήµα Σχηµατική απεικόνιση της µεταβολής της δοµής συστήµατος πολυµερούς-διαλύτη µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης 140 viii

11 Σχήµα Επίδραση της συγκέντρωσης του διαλύµατος (α), του µοριακού µεγέθους (β) και της πρωτοταγούς δοµής (γ) στην απόδοση των β-γλυκάνων σε κρυοπηκτές που σχηµατίζονται µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (κατάψυξη στους -18 o C για 24h και απόψυξη στους 5 o C για 24h). Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι 5 επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση 143 Σχήµα Μηχανικά φάσµατα (0,1% παραµόρφωση, 5 o C θερµοκρασία µέτρησης) πρόσφατου µη-κατεψυγµένου διαλύµατος και κρυοπηκτών σχηµατιζόµενων µετά από 3 και 9 κύκλους κατάψυξης-απόψυξης β-γλυκάνης σιταριού (whe 200) σε συγκέντρωση 3% w/v 144 Σχήµα Επίδραση µοριακού µεγέθους (α) και πρωτοταγούς δοµής (β) των β- γλυκανών στην ελαστική συνιστώσα (G ) των σχηµατιζόµενων κρυοπηκτών µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (οι µετρήσεις της G έγιναν σε θερµοκρασία 5 o C, 0,1% παραµόρφωση και 1,06 Ηz συχνότητα, n=5). 146 Σχήµα Επίδραση µοριακού µεγέθους και συγκέντρωσης των β-γλυκανών βρώµης στην ελαστική συνιστώσα (G ) των σχηµατιζόµενων κρυοπηκτών µετά από 12 κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (οι µετρήσεις της G έγιναν σε θερµοκρασία 5 o C, 0,1% παραµόρφωση και 1,06 Ηz συχνότητα, n=5) Σχήµα Επίδραση µοριακού µεγέθους (α) και πρωτοταγούς δοµής (β) των β- γλυκανών στην εφαπτοµένη απώλειας (tanδ) των σχηµατιζόµενων κρυοπηκτών µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (οι µετρήσεις της tanδ έγιναν σε θερµοκρασία 5 o C, 0,1% παραµόρφωση και 1,06 Ηz συχνότητα). Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι 5 επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση 148 Σχήµα DSC θερµογράµµατα κρυοπηκτών β-γλυκανών από δηµητριακά σχηµατιζόµενων µετά από 9 κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (συγκέντρωση β- γλυκάνης στο αρχικό διάλυµα 3% w/v) Σχήµα Επίδραση µοριακού µεγέθους (α) και πρωτοταγούς δοµής (β) των β- γλυκανών στη φαινοµενική µεταβολή της ενθαλπίας τήξης ( Η) των σχηµατιζόµενων κρυοπηκτών µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης-απόψυξης (συγκέντρωση β-γλυκάνης στο αρχικό διάλυµα 3% w/v, n=5). 151 Σχήµα Επίδραση µοριακού µεγέθους (α) και πρωτοταγούς δοµής (β) των β- γλυκανών στις καµπύλες τάσης συµπίεσης (σ)-παραµόρφωσης Hencky (ε Η ) κρυοπηκτών (συγκέντρωση β-γλυκάνης στο διάλυµα 3% w/v, 12 κύκλοι κατάψυξηςαπόψυξης) που υποβλήθηκαν σε παραµόρφωση µέχρι 40%. Η κάθε καµπύλη αποτελεί το µέσο όρο έξι επαναλήψεων Σχήµα Καµπύλες DMTA (loge και tanδ) για µίγµατα αµύλου/χιτοσάνης (SC) και αµύλου/χιτοσάνης/σορβιτόλης (SCs30) σε διαφορετικά επίπεδα υγρασίας (π.υ.) (συχνότητα 1 Hz, ρυθµός θέρµανσης 2 o C/min) Σχήµα Καµπύλες DMTA (loge και tanδ) για το δείγµα P100 της πουλλουλάνης σε διαφορετικά επίπεδα υγρασίας (π.υ.) (συχνότητα 3 Hz, ρυθµός θέρµανσης 2 o C/min) Σχήµα Μέγεθος της πτώσης του loge και ύψος της κορυφής tanδ από µετρήσεις στο DMTA (συχνότητα 3 Hz, ρυθµός θέρµανσης 2 o C/min) δειγµάτων πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους. 160 Σχήµα ιαγράµµατα Τg υγρασίας (ως Tg θεωρήθηκε η έναρξη της πτώσης του Ε, 3 Hz) δειγµάτων πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους οι διακεκοµµένες γραµµές δίνουν τα διαγράµµατα G-T για τα πειραµατικά δεδοµένα του DMTA. 162 Σχήµα ιαγράµµατα Τg υγρασίας (ως Tg θεωρήθηκε η κορυφή της tanδ, 1 Hz) δειγµάτων χιτοσάνης και µιγµάτων αµύλου/χιτοσάνης και πουλλουλάνης/χιτοσάνης µε ή χωρίς σορβιτόλη (30% επί ξηρού) οι συνεχείς γραµµές δίνουν τα διαγράµµατα G-T για τα πειραµατικά δεδοµένα του DMTA. 164 ix

12 Σχήµα ιαγράµµατα θερµοκρασιών Τα και Τβ υγρασίας (κορυφές tanδ από µετρήσεις DMTA, 3 Hz) δείγµατος πουλλουλάνης πλαστικοποιηµένης µε νερό και/ή σορβιτόλη (10% επί ξηρού) Σχήµα Καµπύλες της tanδ από µετρήσεις DMTA σε πολλές συχνότητες (α) και αντίστοιχα διαγράµµατα Arrhenius του log f ως προς το 1/Τ (β) για την α-µοριακή χαλάρωση δειγµάτων χιτοσάνης (C) σε συγκεκριµένα επίπεδα υγρασίας (π.υ.) Σχήµα Καµπύλες της tanδ από µετρήσεις DMTA σε πολλές συχνότητες (α) και διαγράµµατα Arrhenius του log f προς το 1/Τ (β) για την α-και β-(ένθετα) µοριακή χαλάρωση δειγµάτων πουλλουλάνης (P560) σε συγκεκριµένα επίπεδα υγρασίας (π.υ.). 169 Σχήµα Καµπύλες logε -συχνότητας (α) και µητρικές καµπύλες του logε ως προς τη συχνότητα (β) δειγµάτων πουλλουλάνης και µίγµατος πουλλουλάνηςχιτοσάνης σε συγκεκριµένη περιεκτικότητα υγρασίας (% π.υ.) 176 Σχήµα (α) Καµπύλες logε -συχνότητας και (β) µητρικές καµπύλες του logε ως προς τη συχνότητα δειγµάτων πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους σε συγκεκριµένη περιεκτικότητα σε υγρασία (% π.υ.) το ένθετο δίνει τους παράγοντες µετατόπισης, α Τ, που χρησιµοποιήθηκαν στην κατασκευή των µητρικών καµπυλών σε σχέση µε τη διαφορά θερµοκρασιών Τ (Τ-Τg) Σχήµα Καµπύλες φορτίου-παραµόρφωσης από δοκιµές εφελκυσµού δειγµάτων συγκεκριµένης περιεκτικότητας σε υγρασία (% π.υ) πουλλουλάνης διαφορετικού µοριακού βάρους (α) και πλαστικοποιηµένης µε σορβιτόλη σε επίπεδο 10% (επί ξηρού) (β) Σχήµα Επίδραση υγρασίας και σορβιτόλης στο συντελεστή ελαστικότητας (Ε), στη µέγιστη τάση εφελκυσµού ( σ max ) και στη µέγιστη ποσοστιαία επιµήκυνση (%Ε) κατά τη δοκιµή εφελκυσµού µεµβρανών χιτοσάνης. Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι τουλάχιστον οκτώ επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση 180 Σχήµα Επίδραση υγρασίας και σορβιτόλης στο συντελεστή ελαστικότητας (Ε), στη µέγιστη τάση εφελκυσµού ( σ max ) και στη µέγιστη ποσοστιαία επιµήκυνση (%Ε) κατά τη δοκιµή εφελκυσµού µεµβρανών µίγµατος αµύλου-χιτοσάνης. Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι τουλάχιστον οκτώ επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση Σχήµα Επίδραση υγρασίας και σορβιτόλης στο συντελεστή ελαστικότητας (Ε), στη µέγιστη τάση εφελκυσµού ( σ max ) και στη µέγιστη ποσοστιαία επιµήκυνση (%Ε) κατά τη δοκιµή εφελκυσµού µεµβρανών µίγµατος πουλλουλάνης-χιτοσάνης. Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι τουλάχιστον οκτώ επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση. 182 Σχήµα Επίδραση υγρασίας στο συντελεστή ελαστικότητας (Ε), στη µέγιστη τάση εφελκυσµού ( σ max ) και στη µέγιστη ποσοστιαία επιµήκυνση (%Ε) κατά τη δοκιµή εφελκυσµού µεµβρανών δειγµάτων διαφορετικού µοριακού βάρους πουλλουλάνης. Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι τουλάχιστον οκτώ επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση Σχήµα Επίδραση υγρασίας στο συντελεστή ελαστικότητας (Ε), στη µέγιστη τάση εφελκυσµού ( σ max ) και στη µέγιστη ποσοστιαία επιµήκυνση (%Ε) κατά τη δοκιµή εφελκυσµού µεµβρανών δειγµάτων διαφορετικού µοριακού βάρους πουλλουλάνης πλαστικοποιηµένης µε σορβιτόλη σε επίπεδο 10% (επί ξηρού). Τα σηµεία είναι οι µέσοι όροι τουλάχιστον οκτώ επαναλήψεων και οι κατακόρυφες γραµµές παριστούν την τυπική απόκλιση. 184 x

13 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι σχέσεις της µοριακής δοµής και των φυσικοχηµικών ιδιοτήτων πολυσακχαριτών µελετήθηκαν τόσο σε συστήµατα υψηλής συγκέντρωσης διαλύτη (διαλύµατα και υδροπηκτές πουλλουλάνης και (1 3),(1 4)-β-D-γλυκανών) όσο και σε άµορφες καταστάσεις πλαστικοποιηµένες µε µικρές συγκεντρώσεις νερού και σορβιτόλης (πουλλουλάνη, χιτοσάνη και µίγµατα αµύλου-χιτοσάνης και πουλλουλάνης-χιτοσάνης). Η κλασµάτωση του µικροβιακού πολυσακχαρίτη πουλλουλάνη σε κλάσµατα διαφορετικού µοριακού µεγέθους έγινε µε βαθµίδωση της συγκέντρωσης του διαλύτη και ο χαρακτηρισµός της µοριακής δοµής µε 13 C-NMR φασµατοσκοπία και χρωµατογραφία αποκλεισµού µεγέθους υψηλής απόδοσης (HPSEC) συνδεµένης µε δύο ανιχνευτές, σκεδασµού του φωτός υπό πολλαπλές γωνίες (MALLS) και δείκτη διάθλασης (RI). Η αποµόνωση και ο καθαρισµός των β-γλυκανών από τρεις διαφορετικές πηγές δηµητριακών καρπών έγινε µε ήπιες συνθήκες και περιλάµβανε διαδοχικά υδρολυτικά στάδια µε καθαρά ένζυµα, όπως α-αµυλάση (θερµοάντοχη, µικροβιακής προέλευσης), παγκρεατίνη, ξυλανάση (µικροβιακής προέλευσης). Το µοριακό µέγεθος των β-γλυκανών προσδιορίστηκε µε HPSEC-RI σύστηµα, ενώ η ανάλυση όλων των δειγµάτων των β-γλυκανών µε NMR φασµατοσκοπία ( 1 Η, 13 C και δύο διαστάσεων 1 Η- 1 Η και 1 Η- 13 C φάσµατα) και των κυτταρινικών ολιγοσακχαριτών, που απελευθερώνονται από τη δράση της λιχενάσης, µε χρωµατογραφία ανιοανταλλαγής υψηλής απόδοσης (HPAEC) έδειξε την τυπική πρωτοταγή δοµή των γραµµικών (1 3), (1 4)-β-D-γλυκανών. Μεταξύ των ενζυµικών υδρολυµάτων των β-γλυκανών από διαφορετικές πηγές υπήρξαν διαφορές στις µοριακές συγκεντρώσεις του τρισακχαρίτη 3-Ο-β-κελλοβιόζη-D-γλυκόζη (DP3) και του τετρασακχαρίτη 3-Ο-β-κελλοτριόζη-D-γλυκόζη (DP4) στην αλυσίδα του πολυµερούς. Επίσης το συνολικό ποσό των κυτταρινικών ολιγοσακχαριτών µε βαθµό πολυµερισµού DP 5 ήταν παρόµοιο (3,6-9,7%) για τις β-γλυκάνες που αποµονώθηκαν από δηµητριακά (βρώµη, κριθάρι, σιτάρι), αλλά διέφερε σηµαντικά στο δείγµα της λιχενάνης (22,5%). Η µοριακή αναλογία DP3/DP4 ακολούθησε τη σειρά λιχενάνη (24,5) > σιτάρι (3,7) > κριθάρι (2,8-3,0) > βρώµη (2,0-2,3). Για τα δείγµατα πουλλουλάνης µε µέση µοριακή µάζα (M w ) µεταξύ 100 και 560 x 10 3, οι τιµές του οριακού ιξώδους ([η]), της κρίσιµης συγκέντρωσης (c*) και της παραµέτρου αλληλοεπικάλυψης των αλυσίδων (c*[η]) κυµάνθηκαν µεταξύ 0,38-0,70 dl/g, 1,4-3,1 g/dl και 1,0-1,2, αντίστοιχα. Για τα δείγµατα των β-γλυκανών µε φαινοµενικό µοριακό βάρος (M w της κορυφής των HPSEC χρωµατογραφηµάτων) µεταξύ 35 και 250 x 10 3 οι αντίστοιχες τιµές του [η], της δεύτερης κρίσιµης συγκέντρωσης (c**) και της παραµέτρου αλληλοεπικάλυψης των αλυσίδων (c**[η]) βρέθηκαν µεταξύ των 0,67-3,83 dl/g, 0,7-2,1 g/dl και 1,4-3,2. Η ψευδοπλαστική και η ιξωδοελαστική συµπεριφορά των πρόσφατων διαλυµάτων β- γλυκανών από δηµητριακά βρέθηκε να είναι τυπική πολυσακχαριτών µε τυχαία διαµόρφωση xi

14 αλυσίδας και να εξαρτάται από το µοριακό µέγεθος και τη συγκέντρωση του πολυσακχαρίτη. Από την άλλη πλευρά, η χρονικά-εξαρτώµενη ρεολογική συµπεριφορά (θιξοτροπία) που βρέθηκε σε διαλύµατα β-γλυκανών δηµητριακών µικρού µοριακού βάρους και η έντονη ψευδοπλαστική συµπεριφορά, ακόµη και σε χαµηλούς ρυθµούς διάτµησης, που παρατηρήθηκε σε πρόσφατα διαλύµατα λιχενάνης συγκέντρωσης µεγαλύτερης ~2,5% (w/v), είναι ενδεικτικά της τάσης αυτών των πολυµερών για σχηµατισµό µοριακών δικτυωµάτων σε υδατικό περιβάλλον. Υδροπηκτές β-γλυκανών µε διαφορετικά µοριακά χαρακτηριστικά σχηµατίστηκαν κάτω από ισόθερµες συνθήκες πήξης (5-45 o C, συγκέντρωση πολυσακχαρίτη 4-12% w/v), καθώς επίσης και µετά από επαναλαµβανόµενους κύκλους κατάψυξης (-18 o C για 24h) και απόψυξης (5 o C για 24h) αραιών σχετικά διαλυµάτων (1-3% w/v). Οι υδροπηκτές αυτές εξετάστηκαν µε δυναµική ρεοµετρία µικρών παραµορφώσεων, µε διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης (DSC) και µε µηχανικές δοκιµές µεγάλων παραµορφώσεων. Η ικανότητα σχηµατισµού πηκτών πάνω από τους 0 o C και οι ιδιότητές τους βρέθηκαν να εξαρτώνται από το µοριακό µέγεθος, την πρωτοταγή δοµή (αναλoγία DP3/DP4) και τη συγκέντρωση της β-γλυκάνης, καθώς και από τη θερµοκρασία πήξης. Αντίστοιχα, η ικανότητα σχηµατισµού κρυοπηκτών, η εµφάνιση και οι ιδιότητές τους, όπως και η απόδοση σε κρυοπηκτή ελέγχονται από τη µοριακή δοµή και τη συγκέντρωση της β-γλυκάνης στο αρχικό διάλυµα (πριν την κρυοπηξία) καθώς και από τον αριθµό των επαναλαµβανόµενων κύκλων κατάψυξης-απόψυξης. Όλες οι θερµοαντιστρεπτές υδροπηκτές των β-γλυκανών δηµητριακών εµφάνισαν στα DSC θερµογράµµατα µία ευρεία ενδόθερµη κορυφή τήξης στους ~55-80 o C, ενώ η σχηµατιζόµενη στους 25 o C πηκτή της λιχενάνης έδωσε µία πιο οξεία µετάπτωση πρώτης τάξης. Για τις πηκτές που σχηµατίστηκαν πάνω από τους 0 o C η δυναµική ρεοµετρία έδειξε ότι µε τη µείωση του µοριακού βάρους, καθώς και την αύξηση της DP3/DP4 αναλογίας και της συγκέντρωσης της β-γλυκάνης, η ταχύτητα σχηµατισµού της πηκτής αυξάνονταν, ενώ παράλληλα ο χρόνος πήξης µειώνονταν. Επίσης η ταχύτητα πήξης αυξάνονταν µε αύξηση της θερµοκρασίας πήξης, φθάνοντας µία µέγιστη τιµή στο εύρος ~20-35 o C, ενώ µειώνονταν µε περαιτέρω αύξηση της θερµοκρασίας. Η οριακή τιµή της ελαστικής συνιστώσας (G ) αυτών των πηκτών αυξάνονταν µε τη µείωση του µοριακού µεγέθους και µε την αύξηση του DP3/DP4 και της συγκέντρωσης (G C 7,2-7,5 ) της β-γλυκάνης. Πέρα του ρυθµού αύξησης της G, ο ρυθµός αύξησης της ενδοθέρµου στα DSC θερµογράµµατα (ρυθµός µεταβολής της φαινοµενικής ενθαλπίας, Η, του συστήµατος) καθώς επίσης και οι οριακές τιµές των Η και G των σχηµατιζόµενων υδροπηκτών αυξάνονταν µε την αύξηση της DP3/DP4 αναλογίας και τη µείωση του µοριακού µεγέθους του πολυσακχαρίτη. Αντίστοιχα, η τιµή της Η των κρυοπηκτών αυξάνονταν µε την αύξηση της συγκέντρωσης του τρισακχαρίτη, DP3, και τη µείωση του µοριακού µεγέθους της β-γλυκάνης. Επιπλέον, η τιµή της G αυξάνονταν και η τιµή της εφαπτοµένης απώλειας (tanδ) των κρυοπηκτών µειώνονταν µε τη µείωση του µοριακού µεγέθους και αύξηση του ποσού του DP3 στην xii

15 αλυσίδα των β-γλυκανών δηµητριακών, της συγκέντρωσης στο διάλυµα και του αριθµού των κύκλων κατάψυξης-απόψυξης. Η θερµοκρασία τήξης (Τm) των υδροπηκτών βρέθηκε να αυξάνεται, µε το µοριακό µέγεθος και την αναλογία DP3/DP4 της αλυσίδας της β-γλυκάνης η Τm για τη λιχενάνη βρέθηκε ~89 o C, ενώ για τις β-γλυκάνες δηµητριακών στο στενό εύρος των ~60-72 o C. Σε θερµοκρασίες πήξης πάνω από το 0 o C, οι δοκιµές συµπίεσης µεγάλων παραµορφώσεων έδειξαν να σχηµατίζονται ισχυρότερες πηκτές και λιγότερο εύθραυστες καθώς αυξάνονταν η συγκέντρωση, το µοριακό µέγεθος και το DP3/DP4 της β-γλυκάνης, ενώ για τις κρυοπηκτές των β-γλυκανών από δηµητριακά παρατηρήθηκε ο σχηµατισµός ισχυρότερων πηκτών µε αύξηση του µοριακού βάρους και µείωση της συγκέντρωσης των δοµικών στοιχείων DP3 στη αλυσίδα του πολυσακχαρίτη. Η θερµοµηχανική συµπεριφορά των συστηµάτων πολυσακχαριτών χαµηλής συγκέντρωσης διαλύτη εξετάστηκε µε δυναµική µηχανική θερµική ανάλυση (DMTA) και δοκιµές εφελκυσµού (µεγάλες παραµορφώσεις). Τα συστήµατα αυτά εµφάνισαν µία µεγάλη πτώση στην καµπύλη του συντελεστή ελαστικότητας Ε (~10 1,5-10 3,0 Pa) και µία κορυφή στην περιοχή της υαλώδους µετάπτωσης, Tg (ή α-µοριακή χαλάρωση, Τα), ακόµη και στις περιπτώσεις των µιγµάτων τους και/ή των πλαστικοποιηµένων µε σορβιτόλη δειγµάτων των πολυσακχαριτών, αν και η µετάπτωση ήταν ευρύτερη. Το νερό και η σορβιτόλη έδειξαν σηµαντική πλαστικοποιητική δράση, µειώνοντας το Tg όλων των πολυσακχαριτών, ενώ για το εύρος των µοριακών βαρών που εξετάστηκε, το Τg της πουλλουλάνης δεν βρέθηκε να επηρεάζεται σηµαντικά από το µέγεθος των αλυσίδων της. Τα δεδοµένα του Τg (Τα) ως συνάρτηση της υγρασίας όλων των δειγµάτων µε ή χωρίς την προσθήκη σορβιτόλης προσαρµόστηκαν επιτυχώς στο εµπειρικό µοντέλο των Gordon-Taylor. Η β-µοριακή χαλάρωση (Τβ) που ανιχνεύτηκε στην καµπύλη της tanδ µετατοπίζονταν σε χαµηλότερες θερµοκρασίες µε αύξηση της υγρασίας και σε υψηλότερες θερµοκρασίες µε προσθήκη της πολυόλης. Οι φαινοµενικές ενέργειες ενεργοποιήσης (Εα) για την α- (Εα α ) και τη β-µοριακή χαλάρωση (Εα β ), που υπολογίστηκαν από τα δεδοµένα του DMTA σε πολλές συχνότητες, κυµάνθηκαν µεταξύ και kj/mol, αντίστοιχα οι τιµές της Εα α και της παραµέτρου της ευθραυστότητας m µειώνονταν µε αύξηση της υγρασίας και προσθήκη της σορβιτόλης στα άµορφα πλαστικοποιηµένα δείγµατα των πολυσακχαριτών. Επιπλέον, η προσαρµογή των ιξωδοελαστικών δεδοµένων στην εξίσωση των Williams-Landel-Ferry (WLF), χρησιµοποιώντας την αρχή της υπέρθεσης χρόνου-θερµοκρασίας (time-temperature superposition) υπήρξε επιτυχής. Με τις δοκιµές εφελκυσµού µεµβρανών των πολυσακχαριτών και των µιγµάτων τους διαπιστώθηκε µείωση της τιµής του συντελεστή ελαστικότητας (Ε) και της µέγιστης τάσης εφελκυσµού (σ max ) και αύξηση της µέγιστης ποσοστιαίας επιµήκυνσης (%Ε) µε την αύξηση των επιπέδων της υγρασίας και της σορβιτόλης, ενώ παράλληλα βρέθηκε να υπάρχει κάποια σχέση ανάµεσα στα µοριακά χαρακτηριστικά της πουλλουλάνης και στις µηχανικές της ιδιότητες π.χ. οι τιµές των Ε, σ max xiii

16 και %Ε αυξάνονταν µε αύξηση του µοριακού βάρους του πολυσακχαρίτη. Τα δεδοµένα του συντελεστή ελαστικότητας (Young modulus) ως συνάρτηση της υγρασίας προσαρµόστηκαν µε επιτυχία στο γενικευµένο σιγµοειδές µοντέλο κατανοµής Fermi. xiv

17 ABSTRACT Structure function relations of polysaccharides in high and low solvent systems were explored in this study. Pullulan solutions and (1 3), (1 4)-β-D-glucan solutions and hydrogels, as well as amorphous systems of pullulan, chitosan and starch-chitosan and pullulan-chitosan blends plasticized with small amounts of water and/or sorbitol were the study systems. The microbial polysaccharide pullulan was fractionated by a solvent-gradient technique into different molecular mass fractions and characterized by 13 C-NMR spectroscopy and high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) combined with a multiangle laser light scattering (MALLS) and a refractive index detector (RI). The isolation and purification of β-glucans from three different cereal genera (oat, barley and wheat) was carried out under mild conditions and involved successive enzyme digestions with a thermostable microbial a-amylase, pancreatin, and a microbial xylanase. The molecular size of β-glucans was determined by a HPSEC- RI system and all samples analyzed by NMR spectroscopy ( 1 H, and 13 C, and 1 H- 1 H and 1 H- 13 C 2D-NMR) and high-performance anion exchange chromatograph (HPAEC) of the cellulosic oligomers released by the action of lichenase have shown the typical fine structure of mixed-linkage linear (1 3), (1 4)-β-Dglucan. The lichenase digestion of β-glucans from different origins revealed differences in the amounts of 3-O-β-cellobiosyl-D-glucose (DP3) and 3-O-β-cellotriosyl-D-glucose (DP4) in the polymeric chain. Moreover, the total amount of cellulosic oligosaccharides with degrees of polymerization DP 5 was similar ( %) for the cereal β-glucans, whereas it differed significantly from that of lichenan (22,5%). The molar ratios of tri- to tetrasaccharides (DP3/DP4) were found to follow the order of lichenan (24.5) > wheat (3.7) > barley ( ) > oat ( ). For pullulan samples with weight average molecular weight (M w ) ranging between 100 and 560 x 10 3, the values of limiting viscosity ([η]), critical concentration (c*) and coil overlap parameter (c*[η]) were within the range dl/g, g/dl and , respectively. For β-glucan samples with molecular weight (M w of the peak fraction of the main eluting peak) ranging between 35 to 250 x 10 3, the values of limiting viscosity ([η]), second critical concentration (c**) and coil overlap parameter (c**[η]) were within dl/g, g/dl and , respectively. The shear thinning and viscoelastic behavior of fresh β-glucan solutions were typical of a random coil polysaccharide, and dependent on the molecular size and concentration of the polymer. On the other hand, time-dependent rheological behavior was revealed by thixotropic loop experiments for the low molecular size cereal β-glucan solutions and pronounced shear thinning flow behavior, even at low shear rates, was exhibited by fresh lichenan solutions at concentrations above ~2.5% (w/v), implying the formation of intermolecular networks. β-glucan hydrogels with different molecular characteristics and xv

18 properties were formed under isothermally (5-45 o C, 4-12% w/v polymer concentration), as well as after repeated freezing (-18 o C for 24h) and thawing (5 o C for 24h) cycles of relatively dilute polysaccharide solutions (1-3% w/v). These hydrogels were examined by small strain dynamic rheometry, differential scanning calorimetry (DSC) and large deformation mechanical tests. The gelling ability of β-glucans cured at temperatures above 0 o C and the properties of the formed gels were found to depend on molecular size, fine structure (DP3/DP4 ratio) and concentration of the β-glucans, as well as on gel curing temperature. Similarly, the cryogelation ability, the phenomenological appearance of the cryogels and their properties, as well as the yield of cryostructurates were influenced by the initial solution concentration, the number of freeze-thaw cycles and the molecular features of the β-glucans. DSC showed that all cereal β-glucan gels are thermoreversible and exhibit rather broad endothermic gel sol transitions at ~55-80 o C; lichenan gels prepared at room temperature gave a sharper first-order melting transition. For the β-glucan gels cured above 0 o C the dynamic rheometry revealed that with decreasing molecular size and increasing DP3/DP4 ratio and concentration of the polysaccharide the gelation time decreased, while the gelation rate increased. The gelation rate also increased with increasing gel curing temperatures reaching a maximum at ~20-35 o C, and decreased with further increase in temperature. The storage modulus (plateau G ) values of these gels increased with decreasing molecular size and with increasing DP3/DP4 ratio and concentration (G C ) of the β-glucans. Further to the rate of G kinetics, the rate of the DSC endotherm development during gel curing as well as the G and Η plateau values of the formed gels increased with decreasing molecular size and with increasing the DP3/DP4 ratio of the polysaccharide. Similarly, the Η values of the cryogels increased with increasing the DP3/DP4 ratio and with decreasing the molecular size of the polysaccharide. Moreover, for the cereal β-glucan cryogels the G increased and tanδ decreased with decreasing molecular size and with increasing initial solution concentration, number of freeze-thaw cycles, and trisaccharide segments (DP3) in the polymeric chains. The melting temperature of hydrogels (Tm) was found to increase with the molecular size and the DP3/DP4 ratio of β-glucans; the Tm for lichenan was ~89 o C and for cereal β-glucans varied in the narrow range of ~60-72 o C. Large deformation mechanical tests (compression mode) revealed an increase in strength and a decrease in brittleness of β-glucan gels cured at room temperature with increasing concentration, molecular size and DP3/DP4 ratio of the polysaccharide, whereas for the cereal β-glucan cryogels the gel strength increased with increasing molecular size and decreasing level of trisaccharide units in the polymeric chain. The thermo-mechanical behavior of amorphous polysaccharides plasticized with low concentrations of water and sorbitol was examined by Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) and large deformation tensile testing. These systems exhibited a single xvi

19 large drop in storage modulus E (~ Pa) and a peak in tanδ in the DMTA traces which accompany their glass-rubber transition (Tg) or α-relaxation (Tα) events, even for the polysaccharide blends and/or the plasticized with sorbitol specimens; in the latter cases the transitions were broader. Water and sorbitol exhibited strong plasticizing action, decreasing the Tg of the polysaccharides, whereas there was no effect of polymer molecular size on Tg within the range of pullulan molecular weights tested. For all samples with or without sorbitol, the Tg vs. moisture content data were fitted successfully to the Gordon-Taylor empirical model. A β-relaxation detected by the DMTA was shifted to lower temperature with increasing moisture content and to higher temperature with addition of sorbitol. Apparent activation energies for the α- (Eα α ) and β-relaxation (Εα β ) processes, estimated from multifrequency measurements, were within and kj/mol, respectively; the values for Eα α and fragility parameter m decreased with increasing moisture content and/or addition of sorbitol in the amorphous polysaccharide specimens. Moreover, analysis of viscoelastic data using the time-temperature superposition principle with the Williams- Landel-Ferry equation was successful. Large deformation mechanical tests demonstrated large decreases in tensile (Young s) modulus (E) and strength (σ max ), and an increase in percentage elongation with increasing water content and/or addition of sorbitol in polysaccharide films. The tensile tests revealed some relationships between mechanical properties under uniaxial load and the molecular characteristics of pullulan, e.g. E, σ max and elongation values increased with increasing molecular weight. The Young modulus data vs. moisture content of polysaccharide films were fitted to the Fermi s distribution function with success. xvii

20 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Πρόλογος-σκοπός µελέτης Οι πολυσακχαρίτες είναι φυσικά πολυµερή που βελτιώνουν την ποιότητα των τροφίµων σε σχέση µε την υφή αλλά και τη διατροφική τους αξία. Μέχρι τώρα δεν έχουν συνδεθεί µαζί τους κάποιοι κίνδυνοι για την υγεία, ενώ απεναντίας σε µερικούς πολυσακχαρίτες έχουν αποδοθεί ευεργετικές ιδιότητες όσον αφορά τη βιολειτουργική τους δράση. Συγκεκριµένα, πέρα από την τεχνολογική-λειτουργική τους δράση ως ρυθµιστές του ιξώδους, πηκτωµατογόνα και υποκατάστατα λίπους, ορισµένοι πολυσακχαρίτες έχουν συνδεθεί µε αντικαρκινική δράση, µείωση της χοληστερίνης και καλύτερη ρύθµιση των µεταγευµατικών επιπέδων της γλυκόζης και ινσουλίνης τόσο σε κανονικά όσο και σε διαβητικά άτοµα. Στη βιοµηχανία τροφίµων είναι διαθέσιµη µία µεγάλη ποικιλία πολυσακχαριτών οι οποίοι αποµονώνονται από φυτικούς ή ζωικούς ιστούς, θαλάσσια φύκια ή είναι προϊόντα ζύµωσης µυκήτων ή βακτηρίων. Οι βασικές λειτουργικές τους ιδιότητες και οι χρήσεις αυτών των υδροκολλοειδών στη βιοµηχανία τροφίµων δίνονται συνοπτικά στον Πίνακα 1.1. Όλες οι λειτουργικές ιδιότητες των πολυσακχαριτών είναι αποτέλεσµα αλληλεπιδράσεων του µακροµορίου µε το διαλύτη (νερό), διαµοριακών αλληλεπιδράσεων (µακροµορίου - µακροµορίου), αλλά και διάφορων αλληλεπιδράσεων των αλυσίδων του πολυµερούς στην επιφάνεια διασκορπισµένων σωµατιδίων (στερεά σωµατίδια, σταγόνες µη αναµίξιµων υγρών και φυσαλίδες αερίων). Η χηµική δοµή και το µέγεθος των πολυσακχαριτών επηρεάζει άµεσα τις φυσικοχηµικές και εποµένως και τις λειτουργικές τους ιδιότητες. Τόσο οι ιονικοί όσο και οι ουδέτεροι πολυσακχαρίτες διαθέτουν πολλές οµάδες ΟΗ, που τους προσδίδουν υδρόφιλο χαρακτήρα και τη δυνατότητα ενδοµοριακών και διαµοριακών αλληλεπιδράσεων του τύπου δεσµού υδρογόνου ή ασθενών δυνάµεων Van der Waals (cooperative interactions) (Rees, 1977). Καθοριστικό επίσης ρόλο για τη συµπεριφορά αυτών των µακροµορίων σε πολύπλοκα συστήµατα τροφίµων παίζει η αλληλεπίδραση τους µε το διαλύτη. Στην περίπτωση των τροφίµων ο κύριος διαλύτης είναι το νερό και ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τόσο τα περιβάλλοντα µε χαµηλή περιεκτικότητα νερού (π.χ. αφυδατωµένα προϊόντα) όσο και τα περιβάλλοντα µε υψηλή συγκέντρωση νερού (π.χ. χυµοί, πηκτές, γαλακτώµατα και άλλα σύνθετα συστήµατα διασποράς, κ.α.). Επιπλέον, στη διαµόρφωση της φυσικοχηµικής συµπεριφοράς και της φυσικής κατάστασης των υδροκολλοειδών των τροφίµων δεν θα πρέπει να παραληφθεί ο ρόλος της συνύπαρξης και άλλων 1

21 διαλυµένων ουσιών όπως τα µικρού µοριακού βάρους σάκχαρα και οι ηλεκτρολύτες, καθώς και άλλων παραγόντων όπως η συγκέντρωση στερεών, η ιονική ισχύς και το ph του διαλύµατος, η θερµοκρασία και το χρονικό και θερµικό ιστορικό του συστήµατος. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει γίνει εκτενής επιστηµονική έρευνα πάνω στις σχέσεις ανάµεσα στη διαµόρφωση των µακροµοριακών αλυσίδων και τη δοµή-συµπεριφορά βιοπολυµερών µε χαµηλή συγκέντρωση στερεών σε απλά ή µικτά συστήµατα τους (µικρο-διασπορές, πηκτώµατα). Από την άλλη πλευρά µόλις πρόσφατα άρχισε να µελετάται η συµπεριφορά συστηµάτων υδροκολλοειδών µε υψηλή συγκέντρωση σε στερεά τα οποία περιλαµβάνουν κυρίως άµορφα βιοπολυµερή µε ή χωρίς σάκχαρα µικρού µοριακού βάρους (Slade και Levine, 1993, Roos, 1995a). Πίνακας 1.1. Λειτουργικές ιδιότητες πολυσακχαριτών (Doublier και Cuvelier, 1996). Λειτουργικές ιδιότητες Χρήσεις στη βιοµηχανία τροφίµων Ρύθµιση ιξώδους Σάλτσες, σάλτσες µε ζωµό κρέατος, σούπες λαχανικών, εµβάµµατα σαλάτας, κρέµες, παγωτά Σχηµατισµός πηκτωµάτων Επιδόρπια, γλυκίσµατα, µαρµελάδες, ζελέδες, σύνθετα προϊόντα, ζωοτροφές για κατοικίδια έσµευση νερού Επεξεργασµένα προϊόντα κρέατος Γαλακτωµατοποιητική δράση Σταθεροποίηση γαλακτωµάτων, αιωρηµάτων και αφρών Μικροενθυλάκωση & ελεγχόµενη αελευθέρωση συστατικών Σχηµατισµός µεµβρανών ιαύγαση κολλοειδών συστηµάτων Παρεµπόδιση κρυστάλλωσης Γαλακτώµατα Eµβάµµατα σαλάτας, µαγιονέζα, ροφήµατα, κρέµα σαντιγύ, µους έσµευση και προστασία ευοξείδωτων αρωµατικών ουσιών και χρωστικών Προστατευτικά εδώδιµα υλικά επικάλυψης Ποτά-Χυµοί Παγωτά και κατεψυγµένα επιδόρπια Η φυσική κατάσταση των συστατικών των τροφίµων επηρεάζει σηµαντικά τις ιδιότητες τους κατά την επεξεργασία, αποθήκευση και κατανάλωση του προϊόντος. Τα συστατικά των τροφίµων από άποψη θερµοδυναµικής µπορεί να βρίσκονται είτε σε καταστάσεις ισορροπίας, όπως είναι οι κρύσταλλοι, τα τήγµατα και τα διαλύµατα είτε σε µετασταθείς καταστάσεις (µηισορροπηµένες θερµοδυναµικά), όπως είναι οι άµορφες καταστάσεις, δηλαδή η υαλώδης και η ελαστοπλαστική (Σχήµα 1.1). Αξίζει να σηµειωθεί ότι όλες οι µεταπτώσεις ανάµεσα στις καταστάσεις ισορροπίας και στην υαλώδη κατάσταση γίνονται πάντα µέσω της ελαστοπλαστικής κατάστασης. Μικρού µοριακού βάρους συστατικά (π.χ. σάκχαρα) αλλά και τα πολυµερή των τροφίµων (πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνες) συχνά απαντώνται στην άµορφη κατάσταση ως 2

22 Ψύξη αποτέλεσµα κάποιας επεξεργασίας, κατά την οποία η θερµοκρασία µειώνεται σηµαντικά και απότοµα κάτω από σηµείο τήξης ή το νερό αποµακρύνεται µε εξάτµιση ή σχηµατισµό παγοκρυστάλλων (π.χ. θερµική επεξεργασία, εξάτµιση, θερµική εξώθηση κατάψυξη και λυοφιλίωση). Οι περιπτώσεις αυτές συχνά παρατηρούνται στα τρόφιµα χαµηλής υγρασίας αλλά και στα κατεψυγµένα προϊόντα (Roos και Karel, 1991a). Η θερµοκρασιακή περιοχή στην οποία παρατηρούνται δραστικές µεταβολές στις ιδιότητες των άµορφων υλικών είναι εκείνη όπου παρατηρείται µετάβαση από την υαλώδη στην ελαστοπλαστική κατάσταση, γνωστή ως υαλώδης µετάπτωση (ή µετάβαση) (glass transition). Η χαρακτηριστική αυτή περιοχή, γνωστό ως σηµείο υαλώδους µετάπτωσης συµβολίζεται µε Tg και αποτελεί φυσική παράµετρο του υλικού ή του τροφίµου. Κατά την υαλώδη µετάπτωση, οι πιο σηµαντικές µεταβολές που παρατηρούνται είναι η εκθετική αύξηση της µοριακής κινητικότητας και η µείωση του ιξώδους, που οδηγούν σε αλλαγές της µακροδοµής του συστήµατος, όπως είναι η προσκολλητικότητα και η κατάρρευση της δοµής των τροφίµων κατά την επεξεργασία και αποθήκευση. Επιπλέον πάνω από το Τg, η µοριακή κινητικότητα αυξάνει δραστικά τους ρυθµούς διάχυσης επηρεάζοντας την κινητική της κρυστάλλωσης, την ταχύτητα των διαφόρων αντιδράσεων και γενικά την ποιοτική υποβάθµιση, και κατ επέκταση το εµπορικό όριο ζωής των τροφίµων. Είναι σηµαντικό τέλος να αναφερθεί ότι ουσίες, όπως το νερό και τα µικρού µοριακού βάρους σάκχαρα (πολυόλες) δρουν ως πλαστικοποιητές πάνω στα άµορφα συστατικά των τροφίµων µειώνοντας δραστικά το Τg τους. ΙΑΛΥΜΑ ιαλυτοποίηση Υπερκορεσµός ιαλύτης Αφυδάτωση Αφυδάτωση Πλαστικοποίηση ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ Πίεση, T Κρυστάλλωση ΕΛΑΣΤΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Ψύξη Θέρµανση ΥΑΛΩ ΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ T > T m Αργή ψύξη Θέρµανση Ταχεία ψύξη Θέρµανση ΤΗΓΜΑ Σχήµα 1.1. Μεταπτώσεις φυσικών καταστάσεων των συστατικών τροφίµων (Roos και Karel, 1991a, Roos, 1995a). 3