The Physical Behavior of Arabinoxylans in Model Brewing Solutions
MBAA TQ vol. 41, no. 3, 2004, pp. 268-276 |
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Peer-Reviewed Paper
A. Egi, R. A. Speers, and A. T. Paulson. Department of Food Science and Technology, Dalhousie University, P.O. Box 1000, Halifax, NS, Canada B3J 2X4.
Abstract
This paper reports on the filtration and rheological properties of arabinoxylan polymers of average molecular weights (MW) of 66,000, 278,000, and 294,000. Model beers were made with 0.5 g of maltose mixed with 5 mL of 100% ethanol made up to 100 mL by the addition of a sodium acetate buffer (pH 4.0) solution. Arabinoxylan polymers were added to this model beer at levels of 25, 50, 100, 250, 500, 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, and 5,000 mg/L. At most gum concentrations and temperatures, the solutions behaved in a Newtonian fashion. Critical concentrations in which polymer entanglement occurred (c*) were determined to be 1,050 and 738 mg/L for the 278,000- and 294,000-MW polymers, respectively. The change in viscosity with temperature could be described by the Arrhenius model, and activation energies ranged from 5.93 to 18.0 kJ/mol. The filtration of the model beers containing arabinoxylans through cellulose acetate filters could be described by the Standard blocking law. This law could be used to calculate the maximum filtrate volume (V(max)) and the initial rate of filtration (Q(init)). Arabinoxylan concentration had a significant effect (P < 0.05), reducing V(max) and Q(init) values as the concentration increased. Membrane pore diameter size also had a significant effect (P < 0.05), increasing V(max) and Q(init) as the pore diameter size increased. It was interesting to notice that while arabinoxylan MW had a significant (P < 0.05) effect on V(max) and Q(init), medium-viscosity-arabinoxylan model beers had the highest V(max) values, while low-viscosity-arabinoxylan model beers had the lowest V(max) values at all polymer concentration levels, except 25 mg/L. Scanning electron microscopy of the results indicated that low-viscosity arabinoxylans could penetrate the membrane surface more easily than could medium- and high-viscosity macromolecules because of the shorter polymer chains, thus enhancing the membrane clogging.
Keywords: arabinoxylan, intrinsic viscosity, membrane filtration, Q(init), viscosity, V(max)
S�ntesis
Esta presentaci�n informa sobre las propiedades reol�gicas y filtrabilidad de pol�meros de arabinoxilanos con peso molecular promedio de 66.000, 278.000 y 294.000. Se prepararon modelos de cerveza con 0,5 g de maltosa mezclada con 5 mL de etanol (100%) llevado a 100 mL con una soluci�n amortiguadora (buffer) de acetato de sodio (pH 4,0). Se a�adieron pol�meros de arabinoxilanos a este preparado para alcanzar niveles de 25, 50, 100, 250, 500, 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, y 5.000 mg/L. Estas soluciones se comportaron, en la mayor�a de las concentraciones y temperaturas probadas, de forma Newtoniana. La concentraci�n cr�tica (c*) en que ocurri� el enmara�ado de los pol�meros fue 1.050 y 738 mg/L para los pol�meros de 278.000 y 294.000 peso molecular, respectivamente. El cambio de la viscosidad con la temperatura se pudo describir por el modelo Arrhenius, y las energ�as de activaci�n variaban de 5,93 a 18,0 kJ/mol. La filtraci�n de las soluciones modelo con arabinoxilanos a trav�s de filtros de acetato de celulosa pudo ser descrito por la ley de bloqueo est�ndar. Esta ley permiti� calcular el volumen m�ximo de filtrado, V(max), y la tasa inicial de filtraci�n, Q(inic). La concentraci�n de arabinoxilano tiene un efecto significativo (P < 0,05), observ�ndose una reducci�n en los valores de V(max), y Q(inic) al aumentar la concentraci�n. El di�metro de los poros de la membrana tambi�n tuvo un efecto significativo (P < 0,05), aumentando V(max), y Q(inic) al aumentar el di�metro de los poros. Fue interesante notar que si bien el peso molecular de la arabinoxilano tuvo un efecto significativo (P < 0,05) sobre el V(max), y Q(inic), fueron las soluciones modelos con arabinoxilanos de viscosidad mediano las que tuvieron los m�s altos valores de V(max), y (contrario a lo esperado) las soluciones modelos con arabinoxilanos de viscosidad baja dieron los m�s bajos valores de V(max) a todas las concentraciones de pol�meros a excepci�n de 25 mg/L. La microscop�a por escaneo de electrones de la superficie de la membrana indicaba que los pol�meros de baja viscosidad pudieron penetrar la membrana con m�s facilidad que las macromol�culas de viscosidad media y alta debido a sus cadenas m�s cortas, as� tapando los poros de la membrana m�s efectivamente.
Palabras claves: arabinoxilano, viscosidad intr�nseca, filtraci�n por membranas, Q(inic), viscosidad, V(max)
