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The Physical Behavior of Arabinoxylans in Model Brewing Solutions

MBAA TQ vol. 41, no. 3, 2004, pp. 268-276  |  VIEW ARTICLE

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)

 

Síntesis
Esta presentación informa sobre las propiedades reológicas y filtrabilidad de polímeros 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 solución amortiguadora (buffer) de acetato de sodio (pH 4,0). Se añadieron polímeros 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 mayoría de las concentraciones y temperaturas probadas, de forma Newtoniana. La concentración crítica (c*) en que ocurrió el enmarañado de los polímeros fue 1.050 y 738 mg/L para los polímeros 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 energías de activación variaban de 5,93 a 18,0 kJ/mol. La filtración de las soluciones modelo con arabinoxilanos a través de filtros de acetato de celulosa pudo ser descrito por la ley de bloqueo estándar. Esta ley permitió calcular el volumen máximo de filtrado, V(max), y la tasa inicial de filtración, Q(inic). La concentración de arabinoxilano tiene un efecto significativo (P < 0,05), observándose una reducción en los valores de V(max), y Q(inic) al aumentar la concentración. El diámetro de los poros de la membrana también tuvo un efecto significativo (P < 0,05), aumentando V(max), y Q(inic) al aumentar el diámetro 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 más altos valores de V(max), y (contrario a lo esperado) las soluciones modelos con arabinoxilanos de viscosidad baja dieron los más bajos valores de V(max) a todas las concentraciones de polímeros a excepción de 25 mg/L. La microscopía por escaneo de electrones de la superficie de la membrana indicaba que los polímeros de baja viscosidad pudieron penetrar la membrana con más facilidad que las macromoléculas de viscosidad media y alta debido a sus cadenas más cortas, así tapando los poros de la membrana más efectivamente.
Palabras claves: arabinoxilano, viscosidad intrínseca, filtración por membranas, Q(inic), viscosidad, V(max)

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