izvkgtuИзвестия КГТУKSTU News1997-3071Калининградский государственный технический университет10.46845/1997-3071-2025-79-99-109izvkgtu-181Research ArticleТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВPROCESSES AND TECHNOLOGY OF FOOD MANUFACTURINGИсследование термически индуцированных структурных превращений D-маннита методами молекулярной спектроскопииStudy of thermal induced structural transformations of D-mannitol using molecular spectroscopy methodshttps://orcid.org/0000-0002-0880-5474ЧерепановИ. С.CherepanovI. S.

Игорь Сергеевич Черепанов – кандидат химических наук, доцент,

Ижевск.

Igor' S. Cherepanov – Candidate of Sciences (Chemistry), Associate Professor,

Izhevsk.

cherchem@mail.ruНовоселоваД. В.NovoselovaD. V.

Дарья Владимировна Новоселова – студент,

Ижевск.

Dar'ya V. Novoselova – Student in Chemistry,

Izhevsk.

Удмуртский государственный университетРоссияUdmurt State UniversityRussian Federation20250311202507999109Copyright © Черепанов И.С., Новоселова Д.В., 20252025Черепанов И.С., Новоселова Д.В.Cherepanov I.S., Novoselova D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.klgtu.ru/jour/article/view/181

Применение пищевых добавок различной функциональности является в настоящее время одним из основных направлений развития кондитерской промышленности, при этом в ходе термообработки сырьевой массы вещества испытывают структурные превращения различного характера. Изучение подобных трансформаций позволяет направленно регулировать параметры технологических процессов, в связи с чем в настоящей работе представлены результаты исследований полиморфных превращений D-маннита (пищевая добавка Е421) при контролируемом термостатировании при температуре 180 °С во временном интервале до 3 ч методами УФ-электронной и ИК-колебательной спектроскопии. Анализ колебательных спектров показывает присутствие исходного коммерческого препарата D-маннита в форме наиболее термодинамически выгодной β-модификации, тогда как все термостатированные твердые фазы представлены α-модификациями. Последнее надежно подтверждается изучением ИК-спектральных профилей как среднечастотной (900–1800 см-1), так и высокочастотной (2800–3000 см-1) областей. При этом следует отметить отсутствие интенсивных полос в области 1650– 1800 см-1, что указывает на подавление процессов окислительной деструкции маннита. Исследование динамики изменения температур плавления твердых фаз и профилей электронных спектров ультрафиолетовой области их 1 %-ных растворов показывает экстремум (174 °С) и выраженный максимум при 260 нм для пробы, термостатированной в течение 1,5 ч. Можно предположить, что в данных экспериментальных условиях возможно параллельное с фазовыми переходами протекание химических процессов, вероятно, дегидратации и циклизации. Полученные результаты предполагается положить в основу разрабатываемой технологии термообработки полиолов для получения комбинированных пищевых добавок на их основе в условиях воздействия повышенных температур. 

The use of food additives of various functionality is currently one of the main strategies of the confectionery industry, while during the heat treatment of the raw mass, substances undergo structural transformations of various nature. The study of such transformations allows for the targeted regulation of the parameters of technological processes, and therefore, this paper presents the results of studies of polymorphic transformations of D-mannitol (food additive E421) during thermostating at a temperature of 180 °C in a time interval of up to 3 hours using UV-electronic and IR-vibrational spectroscopy. Analysis of the vibrational spectra shows the presence of the initial commercial D-mannitol preparation in the form of the most thermodynamically favorable β-modification, whereas all the thermostatted solid phases are represented by α-modifications. The latter is reliably confirmed by the study of the IR spectral profiles of both the mid-frequency (900–1800 cm-1) and high-frequency (2800–3000 cm-1) regions. At the same time, the absence of intensive bands in the region of 1650–1800 cm1 should be noted, which indicates the suppression of the processes of oxidative destruction of mannitol. The study of the dynamics of changes in solid phases melting points and profiles of their electronic spectra in the ultraviolet region shows an extremum   (174 °C) and a pronounced maximum at 260 nm for a sample that was thermostatted for 1.5 hours. It can be assumed that under these experimental conditions, chemical processes may occur in parallel with phase transitions, possibly involving dehydration and cyclization. These results are expected to serve as the basis for the development of a thermo-processing technology for polyols to produce combined food additives based on them under the conditions of elevated temperatures.

D-манниттермические реакцииструктураполиморфные модификациимолекулярная спектроскопияD-mannitolthermal induced reactionstructurepolymorphic modificationsmolecular spectroscopyReferencesBayon, R. Feasibility Study of D-mannitol as Phase Change Material for Thermal Storage / R. Bayon, E. Rojas. – DOI: 10.3934/energy.2017.3.404 // AIMS Energy. – 2017. – Vol. 5(3). – P. 404–424.Bayon, R. Feasibility Study of D-mannitol as Phase Change Material for Thermal Storage / R. Bayon, E. Rojas. – DOI: 10.3934/energy.2017.3.404 // AIMS Energy. – 2017. – Vol. 5(3). – P. 404–424.Cassanelli, M. Interaction of Mannitol and Sucrose with Gellan Gumin Freezedried Gel Systems / M. Cassanelli, I. Norton, T. Mills. – DOI: 10.1007/s11483-018-95365 // Food Biophysics. – 2018. – Vol. 13. – P. 304–315.Cassanelli, M. Interaction of Mannitol and Sucrose with Gellan Gumin Freezedried Gel Systems / M. Cassanelli, I. Norton, T. Mills. – DOI: 10.1007/s11483-018-95365 // Food Biophysics. – 2018. – Vol. 13. – P. 304–315.Charactristics and Analytical Methods of D-mannitol: un Update / A. Shiravastava, S. Sharma, M. Kaurav, A. Sharma. – DOI: 10.22159/ijap.2021v13i5.42068 // Int. J. Appl. Pharm. 2021. – Vol. 13 (5). – P. 20–32.Charactristics and Analytical Methods of D-mannitol: un Update / A. Shiravastava, S. Sharma, M. Kaurav, A. Sharma. – DOI: 10.22159/ijap.2021v13i5.42068 // Int. J. Appl. Pharm. 2021. – Vol. 13(5). – P. 20–32.Energy/Temperature Diagram and Compression Behavior of the Polymorphs of D-mannitol / A. Burger, J.-O. Henck, S. Hetz [et al.]. – DOI: 10.1002/(SICI)15206017(200004)89:4<457::AID-JPS3>3.0.CO;2-G // J. Pharm. Sci. – 2000. – Vol. 89 (4). – P. 457–468.Energy/Temperature Diagram and Compression Behavior of the Polymorphs of D-mannitol / A. Burger, J.-O. Henck, S. Hetz [et al.]. – DOI:10.1002/(SICI)15206017(200004)89:4<457::AID-JPS3>3.0.CO;2-G // J. Pharm. Sci. – 2000. – Vol. 89 (4). – P. 457–468.Physico-Chemical Characterization of Anhydrous D-mannitol / G. Bruni, V. Berbenni, C. Malanese [et al.]. – DOI: 10.1007/s10973-008-9384-5 // J. Therm. Anal. Cal. – 2009. – Vol. 95 (3). – P. 871–876.Physico-Chemical Characterization of Anhydrous D-mannitol / G. Bruni, V. Berbenni, C. Malanese [et al.]. – DOI: 10.1007/s10973-008-9384-5 // J. Therm. Anal. Cal. – 2009. – Vol. 95 (3). – P. 871–876.Cherepanov, I. S. Growth Regulating Activity of p-aminobemzoic Acid – D-Glucose System Melanoidins / I. S. Cherepanov. – DOI: 10.1063/5.0068900 // AIP Conference Proceedings. – 2022. – Vol. 2390. – Р. 030009-1–030009-4.Cherepanov, I. S. Growth Regulating Activity of p-aminobemzoic Acid – D-Glucose System Melanoidins / I. S. Cherepanov. – DOI: 10.1063/5.0068900 // AIP Conference Proceedings. – 2022. – Vol. 2390. – Р. 030009-1–030009-4.Rodrigues-Garcia, M.M. Stability of D-mannitol Upon Melting/Freezing Cycles Under Controlled Inert Atmosphere / M. M. Rodrigues-Garcia, R. Bayon, E. Rojes. – DOI: 10.1016/j.egypro.2016.06.207 // Energy Procedia. – 2016. – Vol. 91. – P. 218–225.Rodrigues-Garcia, M.M. Stability of D-mannitol Upon Melting/Freezing Cycles Under Controlled Inert Atmosphere / M. M. Rodrigues-Garcia, R. Bayon, E. Rojes. – DOI: 10.1016/j.egypro.2016.06.207 // Energy Procedia. – 2016. – Vol. 91. – P. 218–225.Simultaneous Quantitative Analysis of Ternary Mixtures of d-mannitol Polymorphs by FT-Raman Spectroscopy and Multivariate Calibration Models / D. Braun, S. Maas, N. Zencirci [et al.]. – DOI: 10.1016/j.ijpharm.2009.10.019 // Int. J. Pharm. – 2010. – Vol. 385. – P. 29–36.Simultaneous Quantitative Analysis of Ternary Mixtures of d-mannitol Polymorphs by FT-Raman Spectroscopy and Multivariate Calibration Models / D. Braun, S. Maas, N. Zencirci [et al.]. – DOI: 10.1016/j.ijpharm.2009.10.019 // Int. J. Pharm. – 2010. – Vol. 385. – P. 29–36.Kayaly, W. Influence of Mannitol Concentration on the Physicochemical, Mechanical and Pharmaceutical Properties of Lyophilised mannitol / W. Kayaly, U. Khan, S. Maewlud. – DOI: 10.1016/j.ijpharm.2016.05.052 // Int. J. Pharm. – 2016. – Vol. 510. – P. 73–85.Kayaly, W. Influence of Mannitol Concentration on the Physicochemical, Mechanical and Pharmaceutical Properties of Lyophilised mannitol / W. Kayaly, U. Khan, S. Maewlud. – DOI: 10.1016/j.ijpharm.2016.05.052 // Int. J. Pharm. – 2016. – Vol. 510. – P. 73–85.Selective Crystallization of D-mannitol Polymorphs Using Surfactant Selfassembly / F. Penha, A. Gopalan, J. Meijlink [et al.]. – DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00243 // Chryst. Growth Des. – 2021. – Vol. 21. – P. 3928–3935.Selective Crystallization of D-mannitol Polymorphs Using Surfactant Selfassembly / F. Penha, A. Gopalan, J. Meijlink [et al.]. – DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00243 // Chryst. Growth Des. – 2021. – Vol. 21. – P. 3928–3935.Influence of Batch Cooling Crystallization on Mannitol Physical Properties and Drug Dispersion from Dry Powder Inhalers / W. Kayaly, H. Larhrib, M. Ticehurst, A. Nokhodchi. – DOI: 10.1021/cg300224w // Chryst. Growth Des. – 2012. – Vol. 12. – P. 3006–3017.Influence of Batch Cooling Crystallization on Mannitol Physical Properties and Drug Dispersion from Dry Powder Inhalers / W. Kayaly, H. Larhrib, M. Ticehurst, A. Nokhodchi. – DOI: 10.1021/cg300224w // Chryst. Growth Des. – 2012. – Vol. 12. – P. 3006–3017.Development of a Pure Certified Reference Material of D-mannitol / W. Chen, Y. Zhang, H. Chen [et al.]. – DOI: 10.3390/molecules28196794 // Molecules. – 2023. – Vol. 28. – 6794.Development of a Pure Certified Reference Material of D-mannitol / W. Chen, Y. Zhang, H. Chen [et al.]. – DOI: 10.3390/molecules28196794 // Molecules. – 2023. – Vol. 28. – 6794.Cycling Stability of D-mannitol when Used as Phase Change Material for Thermal Storage Applications / H. Newmann, S. Niedermaier, S. Gschwander, P. Schossig. – DOI: 10.1016/j.tca.2017.12.026 // Thermochim. Acta. – 2018. –Vol. 660. – P. 134–143.Cycling Stability of D-mannitol when Used as Phase Change Material for Thermal Storage Applications / H. Newmann, S. Niedermaier, S. Gschwander, P. Schossig. – DOI: 10.1016/j.tca.2017.12.026 // Thermochim. Acta. – 2018. – Vol. 660. – P. 134–143.The Solvent-free Thermal Dehydration of Hexitols on Zeolites / M. Kurszewska, E. Skorupova, J. Madaj [et al.]. – DOI: 10.1016/s0008-6215(02)001295 // Carbohydr. Res. – 2002. – Vol. 337. – P. 1261–1268.The Solvent-free Thermal Dehydration of Hexitols on Zeolites / M. Kurszewska, E. Skorupova, J. Madaj [et al.]. – DOI: 10.1016/s0008-6215(02)001295 // Carbohydr. Res. – 2002. – Vol. 337. – P. 1261–1268.Thermal Stability Enhancement of D-mannitol for latent Heat Storage Applications / H. Newmann, D. Burger, Y. Taftanazi [et al.]. – DOI: 10.1016/j.solmat.2019.109913 // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2019. – Vol. 200. – 109913.Thermal Stability Enhancement of D-mannitol for latent Heat Storage Applications / H. Newmann, D. Burger, Y. Taftanazi [et al.]. – DOI: 10.1016/j.solmat.2019.109913 // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2019. –Vol. 200. – 109913.Intramolecular Dehydration of Biomass-derived Sugar Alcohols in Hightemperature Water / A. Yamaguchi, N. Muramatsu, N. Mimura [et al.]. – DOI: 10.1039/c6cp06831f // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. – Vol. 19. – Р. 2714–2722.Intramolecular Dehydration of Biomass-derived Sugar Alcohols in Hightemperature Water / A. Yamaguchi, N. Muramatsu, N. Mimura [et al.]. – DOI: 10.1039/c6cp06831f // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. – Vol. 19. – Р. 2714–2722.Моргунова, Е. М. Технологические особенности разработки кондитерских изделий с использованием полиолов / Е. М. Моргунова, Т. В. Шугаева, К. Н. Гершончик. – DOI: 10.47612/2073-4794-2021-14-3(53)-19-31 // Пищевая промышленность: наука и технологии. – 2021. – Т. 14, № 3. – С. 19–31.Morgunova, E. M. Technological Aspects of Development Confectionary Products with Polyols / E. M. Morgunova, T. V. Shugaeva, K. N. Gershonchik. – DOI: 10.47612/2073-4794-2021-14-3(53)-19-31 // Food Industry: Science and Technologies. – 2021. – Vol. 14(3). – P. 19–31.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.