Гелеобразователи в пищевых добавках
Будучи введенными в жидкую пищевую систему в процессе приготовления пищевого продукта, загустители и гелеобразователи связывают воду, в результате чего пищевая коллоидная система теряет свою подвижность и консистенция пищевого продукта изменяется. Эффект изменения консистенции (повышение вязкости или гелеобразование) будет определяться, в частности, особенностями химического строения введенной добавки.
В химическом отношении добавки этой труппы являются полимерными соединениями, в макромолекулах которых равномерно распределены гидрофильные группы, взаимодействующие с водой. Они могут участвовать также в обменном взаимодействии с ионами водорода и металлов (особенно кальция) и, кроме того, с органическими молекулами меньшей молекулярной массы.
Классификация загустителей и гелеобразователей
Эта группа пищевых добавок включает соединения двух функциональных классов:
- загустители ( функциональный класс 23) — вещества, используемые для повышения вязкости продукта;
- гелеобразователи (функциональный класс 15) — соединения придающие пищевому продукту свойства геля (структурированной высокодисперсной системы с жидкой дисперсионной средой, заполняющей каркас, который образован частицами дисперсной фазы).
Среди них натуральные природные вещества животного (желатин) и растительного пектин, агароиды, камеди) происхождения, а также вещества, получаемые искусственно (полусинтетическим путем), в том числе из природных источников (модифицированные целлюлозы, крахмалы и др.). Промежуточное положение между этими двумя группами занимают альгинат натрия и низкоэтерифицированный пектин. К синтетическим загустителям относятся водорастворимые поливиниловые спирты и их эфиры.
Перечень основных загустителей и гелеобразователей, разрешенных в соответствии с СанПиН 2.3.2.560—96 для применения в производстве пищевых продуктов, приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Пищевые загустители и гелеобразователи, разрешенные к применению при производстве пищевых продуктов
Свойства и функции загустителей и гелеобразователей
Главной технологической функцией добавок этой группы в пищевых системах является повышение вязкости или формирование гелевой структуры различной прочности. Одним из основных свойств, определяющих эффективность применения таких добавок в конкретной пищевой системе, является их полное растворение, которое зависит прежде всего от химической природы. Влияние особенностей структуры отдельных загустителей и гелеобразователей на их растворимость в воде иллюстрирует таблице 2.
Таблица 2 – Влияние структуры на растворимость
При анализе таблицы 2 можно констатировать, что добавки подиса-харидной природы, содержащие большое количество гидроксильных групп, являются гидрофильными и в основном растворимы в воде.
При контакте водорастворимых полисахаридов с водой молекулы растворителя сначала проникают с образованием связей в наименее организованные участки цепи макромолекул. Такая начальная гидратация ослабляет связи в оставшихся звеньях и способствует проникновению воды и сольватации наиболее организованных участков цепи Этот процесс проходит через переходную стадию гелеобразования, когда частицы набухают и увеличиваются в объеме благодаря силам когезии между макромолекулами. Если межмолекулярные связи относительно слабы, они могут быть достаточно легко разрушены при механическом воздействии или нагревании. При этом биополимер (полисахарид или белок) полностью растворяется С другой стороны, если связи между определенными сегментами макромолекул не разрушаются при механическом или тепловом воздействии, биополимер сохраняется в виде набухших частиц. Примерами могут служить альгинат и пектат кальция.
Растворимость повышается в присутствии ионизированных групп (сульфатные и карбоксильные), увеличивающих гидрофильность (каррагинаны, альгинаты), а также при наличии в молекулах полисахаридов боковых цепей, раздвигающих главные цепи, что улучшает гидратацию (ксантаны). Растворимость понижается при наличии факторов, способствующих образованию связей между полисахаридными цепями, к которым относятся наличие неразветвленных зон и участков без ионизированных групп (камедь рожкового дерева), а также присутствие ионов кальция или других поливалентных катионов, вызывающих поперечное сшивание полисахаридных цепей, что препятствует растворению макромолекул.
В зависимости от химической природы макромолекул и особенностей пищевой системы возможны различные механизмы гелеобразования, обобщенные в таблице 3.
Таблица 3 – Условия гелеобразования в растворах полисахаридов и желатина
Более подробно процессы гелеобразования описаны при рассмотрении отдельных представителей этой группы добавок.
В ряде случаев совместное введение двух различных добавок этой группы сопровождается синергическим эффектом. Некоторые комбинации добавок, проявляющие синергический эффект, приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Комбинации добавок с синергическим эффектом
Аналогичный синергический эффект повышения вязкости может быть достигнут при сочетании отдельных загустителей с некоторыми биополимерами белковой природы. К ним относятся, например, комбинации карбоксиметилцеллюлозы с казеином или соевым протеином.
Многие представители этой группы пищевых добавок имеют смежную технологическую функцию стабилизатора (см. раздел 6.3). Повышение вязкости дисперсной пищевой системы при введении в нее загустителя или превращение такой системы в слабый гель при низких концентрациях гелеобразователя предотвращает ее разделение на исходные компоненты, например, выпадение в осадок твердых частиц, диспергированных в жидкой дисперсионной среде.
Подавляющее большинство загустителей и гелеобразователей со статусом пищевых добавок относится к классу полисахаридов (гликанов). Исключение составляет гелеобразователь желатин, имеющий белковую природу.
Загустители — вещества, повышающие вязкость продукта.
Гелеобразователи — вещества, которые формируют гель путем структуризации высокодисперсных систем.
Загустители и гелеобразователи, введенные в жидкую систему в процессе приготовления пищевого продукта, связывают воду. В результате коллоидная система теряет свою подвижность и консистенция продукта изменяется. Используется при производстве мороженого, мармелада, сыра, колбас.
В химическом отношении эти пищевые добавки очень сходны. Они представляют собой макромолекулы с равномерно распределенными в них гидрофильными группами, с которыми вступает во взаимодействие вода. При этом одни и те же вещества в зависимости от концентрации могут выполнять роль, как загустителя, так и гелеобразователя.
Различают загустители и гелеобразователи натуральные, полусинтетические, синтетические.
Натуральные — камедь рожкового дерева, гуаровая камедь, агар-агар, агароид, каррагинан, пектин, желатин, альгинат натрия, хитозан.
Полусинтетические — производные натуральных веществ — метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, амилопектин, модифицированные крахмалы.
Синтетические — водорастворимые поливиниловые спирты, и их эфиры. Используют только в косметических изделиях.
Подавляющее большинство загустителей и гелеобразователей относятся к полусахаридам, за исключением желатина — жив. белок.
Практическая работа №7
Тема: Изучение технологических функций и видов гелеобразователей, их отличительные свойства.
Цель работы: изучить основные виды гелеобразователей, их технологические свойства.
Пособие для работы: учебник, конспект лекций.
Выполнение работы.
Желатин — белковый продукт, получаемый из костей, хрящей, сухожилий животных путем длительного вываривания.
Не имеет вкуса и запаха, хорошо растворяется в горячей воде. а при охлаждении водные растворы образуют гели — термически обратимые. Образование гелей не зависит от рH, присутствия других реагентов. Следует учитывать, что продукты, содержащие желатин, могут иметь посторонний, не свойственный им привкус, и подвергаться быстрой, микробиологической порче. Рекомендуемая доза внес. 1-6%
Пектин — вещества, представляющие собой высокомолекулярные полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой. На процесс гелеобразования пектинов влияет рН среды, температура, дегидратирующие вещества, молекулярная масса, степень этерификации. Рекомендуемая доза = 0,03-0,2%.
В последнее время пектины хорошо используются в качестве профилактических средств для населения, проживающего в радиационной зоне и зонах риска отравления тяжелыми металлами. Они способны связывать и выводить из организма некоторые токсины и тяжелые металлы, способны снижать уровень холестерина в крови, нормализовать деятельность желудочно-кишечного тракта. Промышленность выпускает следующие пектины: яблочный, цитрусовый, свекловичный, из корзинок подсолнечника.
Агар-агар получают из багряных морских водорослей Белого моря и Тихого океана.
Незначительно растворяется в холодной воде, но набухает в ней. В горячей воде образует коллоидный раствор, который при остывании дает хороший прочный студень, обладающий стекловидным изломом.
Желирующая способность в 10раз выше чем у желатина, без присутствия сахара, кислоты.
Используется в мороженом, мармеладе, желе и т.д.
Агароид (черноморский агар) получают из водорослей филлофлоры, растущей в Черном море.
Плохо растворим в холодной воде, в горячей воде образует коллоидный раствор, при охлаждении которого образуется студень, имеющую вязко-тягучую консистенцию.
Студнеобразующая способность в 2 раза ниже, чем у агар-агара.
Каррагинан получают из красных водорослей.
Структурообразующие свойства и растворимость в воде зависят от фракционного состава.
Не расщепляется ферментами в желудочно-кишечном тракте и могут применяться в низкокалорийных продуктах.
Используется при производстве плавленых сыров, сгущенного молока, соусов, желе и т.д.
Альгиновая кислота и ее соли получают из бурых водорослей.
Соли альгиновой кислоты легко растворимы в воде, с образованием высоковязких растворов.
Главное преимущество альгинатов – способность образовывать термостабильные гели, которые могут формироваться при комнатной температуре. Альгиновая кислота и ее соли обладают большой водосвязывающей способностью, а именно до 200-300 кратного количества.
Крахмал и модифицированные крахмалы
В последнее время в пищевой промышленности все больше применяют модифицированные крахмалы, свойства которых заметно отличаются от обычного крахмала. Так. Модифицированный крахмал существенно отличается по степени гидрофильности, способности к клейстеризации и студнеобразованию. Используется в хлебопекарной промышленности, в том числе для получения безбелковых диетических продуктов, кондитерской, молочной промышленности, и т.д.
Целлюлоза и ее производные – основное вещество растительных клеток. Чистая целлюлоза не растворяется в воде. Чтобы сделать целлюлозу растворимой, её подвергают химической модификации путем введения реакциоспособных групп (метил-, карбоксиметил- и др). Благодаря этому получаются продукты разрыхленной структуры.
Целлюлозные добавки используются в качестве эмульгаторов, текстураторов, загустителей, гелеобразователей. Используются при изготовлении хлебобулочных, кондитерских изделий, молочных, жировых продуктов.
Полисахариды микробиологического происхождения (ксантан, геллан).
Многие виды микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности выделяют камеди, состоящие в основном из полисахаридов.
Ксантан используется в качестве загустителя в сгущенных продуктах, соусах, растворимых супах, кетчупе.
Геллан применяют в качестве загустителя и текстурообразователя.
Выводисходя из цели.
Глазирователи
Глазирование корпусов конфет является заключительной технологической операцией их производства.
Цель этого процесса – защита конфет от высыхания или увлажнения благодаря формированию плотной воздухонепроницаемой оболочки.
Глазурь готовят из шоколада, помады, жира (гидрожир, кондитерский жир), пектина, сиропа (кандирование)
Выбор конкретной пищевой добавки определяется особенностями пищевой системы и технологическими задачами.
Влагоудерживающие агенты
К этой группе относятся добавки, удерживающие влагу, а так же смачивающие добавки, которые предохраняют пищу от высыхания. К их числу относят пропиленгликоль, триацетин, пирофосфаты, глицерин, сорбит.
Консерванты
Задачи, решаемые при добавлении консервантов:
1) Сохранение пищевого продукта, предотвращение его порчи, и в итоге — устранение или снижение экономических потерь.
2) Обеспечение безопасности пищевых продуктов путем недопущения или предотвращения развития на них микроорганизмов.
Эффективность конкретного консерванта неодинакова в отношении плесневых грибов, дрожжей, бактерий, т.е. он не может быть направлен против всего спектра возможных возбудителей порчи пищевых продуктов.
Эффективность консерванта зависит от состава и физико-химических свойств консервируемого пищевого продукта.
На эффективность могут влиять вещества, изменяющие рН или активность воды либо селективно адсорбирующие консерванты, а так же природные составляющие продукта, которые сами проявляются антиминт. действие. Некоторые консерванты могут взаимодействовать с компонентами пищевых продуктов, при этом они частично или полностью теряют свою активность (диоксид серы, нитриты, сульфиты, пероксид водорода, озон) , надо добавлять в больших дозах.
Некоторые консерванты могут разлагаться микроорганизмами. Метилпарабен разлагается бактериями вида Pseudomonas aeruginosa (Синегнойная палочка); сорбиновая кислота – грибами рода Penicillium (Пеницилл).
Консервант должен иметь возможно более широкий спектр действия; быть достаточно эффективным против микроорганизмов; как можно меньше влиять на микробиологические процессы, протекающие в некоторых пищевых продуктах( дрожжевое брожение теста, м/к брожение, квашение, созревание сыров.); по возможности оставаться в пищевом продукте в течение всего срока хранения. Как можно меньше влиять на органолептические свойства пищевых продуктов; по возможности быть простым в применении.
!Запрещено применять консерванты в отдельных продуктах массового потребления( молоке, сливочном масле, хлебе, муке.) и детского питания, а также в изделиях с маркировкой «натуральные», «свежие».
Представители:
Борная кислота и её соли – бораты(бура) – применялась для консервирования рыбы и ракообразных, осетровой и лососевой икры. Длительное потребление продуктов, законсервированных бурой, могут вызывать хроническое отравление, которое сопровождается значительной потерей масс. LД50 значительно высокая.
В России применяется ограниченно.
Пероксид водорода. В процессе хранения разлагается с образованием воды атомарного кислорода, который угнетает развитие бактерий, но не препятствует жизнедеятельности плесеней.
Диоксид серы и её производные – сернистый ангидрид, сульфат натрия, метабисульфат натрия
Используют в качестве консервантов и для предотвращения потемнения пищевых продуктов.
Бензойная кислота наиболее эффективна в кислой среде. Трудно растворима в воде, легко растворима в этиловом спирте и в растительных маслах. Подавляет активность окисления восстановленных ферментов, микроорганизмов, плесневых грибов и дрожжей.
Бензонат натрия хорошо растворяется в воде, необходима рН = меньше 4,5. Из-за лучшей растворимости чаще, чем бензойную кислоту, но консервируемый эффект ниже.
Метиловый, этиловый, пропиловый эфиры n-оксибензойной кислоты обладают более сильным бактерицидным действием, чем бензойная кислота, не зависят от рН среды, токсичность ниже в 3-4 раза, но они изменяют вкусовые качества пищи.
Муравьиная кислота действует в отношении дрожжей и плесеней, не изменяет вкус продукта,легко удаляется при нагревании, но плохо выводится из организма, поражая печень и почки.
Сорбиновая кислота трудно растворима в воде. Действие зависит от рН, на органолептические свойства не влияет, не обладает токсичностью и канцерогенностью. Применяют от плесеней.
Дифенил применяют для обработки цитрусовых, в целях предотвращения развития плесени и других грибков. В нашей стране не применяется, но реализация импортируемых цитрусовых разрешена. Рекомендуется цитрусовые тщательно мыть водой.
Антибиотики – низин, биомицин, пимарицин, нистатин.
При употреблении продуктов питания содержатся антибиотики, изменяется кишечная микрофлора, что приводит к нарушению синтеза витаминов, размножению патогенной микрофлоры, возникновение аллергических заболеваний.
Пропелленты.
По строгому определению это газы, выталкивающие продукт из контейнера.
Применяют в качестве экстрагирующих агентов при экстрагировании жиров, масел, обезжировании рыбы и других продуктов. Растворители выбирают в зависимости от их способности селективно растворять определенные пищевые компоненты, оказывать токсическое воздействие, реагировать с ингредиентами пищи.
Представители: хладон-12, азот, бутан, изобутан, пропан.
Разрыхлители
Разрыхлители – это вещества, увеличивающие объем теста.
К ним относят дрожжи хлебопекарные, дрожжевое молоко, сухие дрожжи, представляющих собой биомассу живых клеток, способных сбраживать сахаросодержащие среды.
Химический разрыхлитель применяют при выработке изделий с высоким содержанием сахара и жира, т. к. высокое давление в среде с сахаром приводит к плазмолизу клеток. Тесто разрыхляется газами, образующимися при разложении химических разрыхлителей.
Используют гидрокарбонат натрия NaHCO3(пищевая сода),карбонат аммония (NH4)2 CO3
Стабилизаторы
-это пищевые добавки, позволяющие сохранять однородную смесь из двух или более несмешиваемых веществ.
Принцип действия такой же, как и у эмульгаторов. Цель их применения — стабилизация уже существующих гомогенных систем или улучшение степени гомогенизации смесей. Их поверхностная активность обычно меньше активности эмульгаторов.
Представители: альгиновая кислота, агар-агар, камедь рожкового дерева, гуаровая камедь, пектины, пирофосфаты и др., модифиц. Крахмал, лецитин.
Подсластители
Делят на 2 группы: природные и синтетические.
Природные:
1) Глюкоза- моносахарид, применяется для подслащивания безалкогольных и прохладных напитков.
2) Фруктоза- моносахарид, применяется для подслащивания напитков и кондитерских изделий.
3) Лактоза- дисахарид, (молочный сахар), используется в детском питании.
4) Сорбит — многоатомный спирт, используется в диетических и плодовоовощных консервах.
5) Ксилит – многоатомный спирт. Быстро усваивается и не оказывает влияния на уровень сахара в крови. В больших количествах – до 50г/сут, действует как послабляющее средство, положительно влияет на состав зубов.
6) Глицеризин упоминался в папирусах Древнего Египта. Его получают из корней сладкого дерева. Ему присущи специфический привкус и запах, что ограничивает его применение.
7) Стевиозид- гликозид, выделенный из листьев растения Steviq repaudiana. Разрешен во всех странах.
Синтетические. Необходимость их применения вызвана следующими задачами:
1) Экономия природного сырья.
2) Создание диетических продуктов, свободных от сахара для людей, страдающих диабетом, атеросклерозом, ожирением и т.д.
Они обладают интенсивным сладким вкусом.
1) Сахарин в 300-550 раз слаще сахарозы.
2) Цикламаты – в 30 раз слаще сахарозы. Обладают токсичностью.
3) Аспартам – в 200 раз слаще сахарозы. Не вызывает кариеса зубов, полностью выводится организмом, практически не содержит калорий.
4) Ацесульфам калия – в 200 раз слаще сахарозы.
Раздел III