CC BY
294
547.458.88+664.292
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НА ТУРАЛЬНЫХ СТР УКТУРООБРАЗОВА ТЕЛЕЙ
В.П. ГРАНАТОВА, А.А. ЗАПОРОЖСКИЙ, Г.И. КАСЬЯНОВ
Кубанский государственный технологический университет
Ценность пищевых продуктов определяется не только их способностью удовлетворять потребности человека в пищевых веществах и энергии (ФЗ №2 29 «О качестве и безопасности пищевых продуктов»), но и органолептическими показателями: цветом, запахом, вкусом, консистенцией. Большинство пищевых продуктов содержат значительное количество воды: от 95% (молоко, фрукты, овощи) до 25% (сырокопченая колбаса). Кроме влаги в состав продуктов входят белки, жиры, углеводы, соль, витамины и др. Сложное взаимодействие этих компонентов с водой и друг с другом формирует свойства пищевых продуктов. Придание пищевым изделиям заданной формы и структуры является одной из важных задач их технологии [1].
Для получения устойчивых пищевых систем одновременно с применением специальных технических средств, технологических процессов и приемов биотехнологии применяют вещества, составляющие группу структурообразователей, изменяющих консистенцию пищевых продуктов [2].
В качестве структурообразователей используют вещества химической природы, а также натуральные вещества животного, растительного и микробиологического происхождения [3].
Среди структурообразователей, широко применяемых в пищевой технологии, природные биополимеры, имеющие углеводную или белковую основу, занимают приоритетное положение. Изучение их функционально-технологических свойств позволяет пересмотреть традиционные принципы их технологического применения, выявить новые аспекты в механизме взаимодействия в гетерогенных системах, оптимизировать параметры и нормы введения, создать научно обоснованные технологии высококачественных пищевых продуктов, противодействовать экспансии иностранных производителей функциональных добавок на отечественном продовольственном рынке [4].
Ассортимент полисахаридных структурообразователей обширен и постоянно пополняется. Широкое применение в промышленности имеют водорослевые сухие экстракты и порошки, получаемые из семян растений.
Пектиновые вещества - Е 440а - представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином. В пищевой промышленности пектин полу-
чают из яблочных выжимок, свеклы, корзинок подсолнечника, цитрусовых отжимов. Высокоэтерифициро-ванные пектины - яблочный и цитрусовый - применяют в качестве студнеобразующего вещества в производстве мармелада, пастилы, желе, джемов, фруктовых соков, мороженого, рыбных консервов и майонеза. Низкоэтерифицированные пектины - свекловичный -используют при изготовлении овощных желе, мясных паштетов и студней. Пектиновые вещества применяются также в хлебопекарной и сыродельной промышленности [3, 5].
Студнеобразующая способность пектина зависит от его молекулярной массы, степени этерификации, содержания функциональных групп, рН среды. Известна прямая зависимость способности пектина к образованию прочного студня от его молекулярной массы. Для хорошего студнеобразования необходимо, чтобы пектиновая молекула имела молекулярную массу не менее 20 кДа [6].
Максимальная прочность студня для высокоэтери-фицированных и низкоэтерифицированных пектинов достигается при рН 3,0-3,3 и 2,5-2,8 соответственно [5]. Ацетильные группы оказывают большое влияние на студнеобразующую способность. Студень из пектина с 5%-м ацетильным содержанием не застывает в течение нескольких дней. Образцы, содержащие 3,5-4,0% ацетила, дают слабый студень, в то время как их желирующая способность восстанавливается при 2,4%- м содержания ацетила.
Новый вид классического пектина - зостерин - получают из морской травы семейства взморниковых (¿в81ега Ь.), распространенной в Азовском, Черном морях и заливах Дальнего Востока [7]. Низкая степень этерификации зостерина обеспечивает его высокие адсорбционные свойства. В связи с этим пектин из морских трав рекомендован Институтом питания АМН РФ в качестве лечебно-профилактической пищевой добавки.
Проблема производства пектина и его модификаций в России далека от практического решения. Сложность технологии получения пектинов с прогнозируемыми структурой, химическим составом и свойствами объясняется многообразием пектинсодержащего сырья, требующего индивидуального подхода при его переработке. Кроме того, физико-химические свойства и химический состав пектина взаимосвязаны и обусловлены технологическими параметрами последующего выделения.
Один из основных технологических процессов пектинового производства - гидролиз-экстрагирование
пектиновых веществ из растительного сырья. Теоретический анализ основных закономерностей протекания этого процесса свидетельствует [8], что основной причиной выделения пектина с низкой молекулярной массой, а следовательно, с невысокими качественными показателями конечного продукта, являются жесткие условия проведения процесса гидролиза-экстрагирования - высокие температуры, низкие значения рН, значительная продолжительность, приводящие к термической деградации пектиновых макромолекул. В последние годы разработан ряд новых способов получения пектинов с использованием физических и электрофизических методов.
В работе [5] предложено использовать при получении пектина электроактивированную водную систему (ЭАВС) в качестве гидролизующего агента, что увеличивает степень гидролиза до 95,6% против 93-94 по кислотному способу. При этом продолжительность гидролиза протопектина сократилась до 0,2-1 ч.
Авторы [9] проводят экстрагирование пектина в экстракторе-дезинтеграторе кавитационно-роторного типа. При этом дезинтегрирование сырья, характеризующееся равномерным распределением частиц по размеру, определяет эффективность процесса экстрагирования и в сочетании с активной циркуляцией экстрагента обеспечивает количественное извлечение того или иного компонента.
Один из способов повышения диффузионной проводимости пектинсодержащего сырья - его предварительная электрофизическая обработка в электромагнитном поле СВЧ. Результаты исследований показали, что выход пектина из обработанного таким способом растительного сырья при гидролизе дистиллированной водой практически в 1,5-2 раза выше [8].
В рамках разработки и производства функциональных пектинсодержащих проду ктов питания установлены лечебно-профилактические свойства пектиновых веществ.
Существует мнение, что широкий спектр направлений применения пектинов и невозможность адекватной замены их другими веществами обязывают занести пектины в список тех пищевых добавок, без которых невозможна организация качественно новых направлений при создании современных продуктов питания [10].
Каррагинан - Е 407 - используют в пищевой промышленности как загуститель, желирующий агент и стабилизатор при производстве соусов, майонезов, плавленых сыров, сгущенного молока, кондитерских кремов [3]. При изготовлении мясных изделий его применение позволяет снизить производственные потери, добиться идеальной текстуры готового продукта благодаря его высокой влагоудерживающей способности
[11].
В зависимости от структуры выделяют различные типы идеальных каррагинанов, обозначенные буквами греческого алфавита: г, к, 1, т, V, X Однако в макромолекулах каррагинана одного типа возможно присутствие димеров другого типа. Более точно следующее определение каррагинана: это полимер, состоящий из сульфатированных в различной степени звеньев галак-
тозы и сульфатированных или нет звеньев 3,6-ангидро-галактозы, поочередно соединенных 1-3 и 1-4 связями [2].
Технологический процесс получения каррагинанов основан на их экстракции горячей водой с последующим выделением из растворов. В промышленности используют два способа выделения: через гелеобразова-ние в среде с хлоридом калия для выделения гелеобразующих каррагинанов и осаждением из спирта при выделении смеси каррагинанов разных типов.
В настоящее время наибольшее применение нашли к, г и 1-каррагинаны.
Один из основных параметров эффективного использования каррагинанов в пищевой промышленности - степень их растворимости в воде с образованием вязких растворов. Скорость растворения зависит от фракционного состава каррагинана и температуры. При комнатной температуре растворяется 1-карраги-нан, являющийся наиболее гидрофильным; к-карраги-нан менее гидрофилен и растворяется при 60-70°С; г-каррагинан занимает промежуточное положение.
Структурообразующие свойства, как и раствори -мость каррагинанов, зависят от фракционного состава. Так, очень гидрофильный 1-каррагинан, молекулы которого находятся друг от друга на большом расстоянии, препятствующем образованию связей, является только загустителем. Макромолекулы к и г-каррагина-нов, растворяющиеся при повышенных температурах, во время охлаждения образуют структурную сетку геля, что придает им свойства структурообразователя. При этом многократное повторение моносахарида создает закручивание цепи в виде двойной спирали. Один виток спирали образуется примерно шестью моноса-харидными элементами. Такая двойная связь формируется благодаря возникновению водородных связей
[12]. Поскольку к-каррагинан несет меньший отрицательный заряд по сравнению с г-каррагинаном, он проявляет большую степень агрегации двойных спиралей и его гели являются более прочными и непрозрачными.
На гелеобразующие свойства каррагинанов большое влияние оказывают электролиты. Так, к-каррагинан с катионами калия образует жесткий и эластичный гель, с катионами кальция - жесткий и хрупкий.
Использование каррагинанов в мясных и молочных продуктах связано с их способностью реагировать с белками. Между сульфатными группами каррагинана и заряженными группами протеинов существует ионная связь. Реактивность между каррагинаном и протеинами определяется изоэлектрической точкой протеинов [2].
Экспертным комитетом по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ установлена допустимая суточная доза каррагинана - до 75 мг на 1 кг массы тела. Фармакологические исследования суммарного каррагинана из водорослей семейства Gigartinaceace показали эффективность его использования в качестве энтеросорбента, радиопротектора и лечебно-профилактического средства для выведения тяжелых металлов [13].
Агар, агар-агар - Е 406 - полисахарид, являющийся классическим представителем класса структурообра-зователей. Его применяют при производстве желейно-
го мармелада, пастилы, зефира, мясных и рыбных студней, желе, пудингов, при изготовлении мороженого, где он предотвращает образование кристалликов льда, а также при осветлении соков [3].
Агар-агар получают путем экстрагирования из определенных видов водорослей класса Койвркусеае: Gracilaria, Gelidium, Geramium и др. Основу агара составляет дисахарид агароза, молекула которой построена из О-галактопиранозы и 3,6-ангидро-Ь-галак-топиранозы, связанных попеременно Р-(1,4)- и а-(1,3)-связями.
Агар-агар полностью растворяется только при 95-100°С. Горячий раствор прозрачный и ограничено вязкий. При охлаждении до 35-40° С образуется крепкий термообратимый гель. Хорошая студнеобразующая способность агара обусловлена структурированием цепей молекул геля посредством сульфатных групп и многовалентных катионов, например кальция. Другие важные характеристики агара - температуры застудневания раствора и плавления студня. Для 0,85%-го раствора агар-агара эти показатели должны составлять не ниже 30 и не выше 80° С соответственно [2].
Применение агара в пищевой промышленности не лимитировано, обусловлено рецептурами и стандартами на эти продукты и разрешено во всех странах. Комитет экспертов ФАО/В ОЗ считает допустимой для человека суточную дозу агара 0-50 г на 1 кг веса тела.
Крахмал и модифицированные крахмалы среди природных полимеров являются самым дешевыми и доступными в пищевой технологии. Крахмал представляет собой смесь двух типов полимеров, построенных из остатков глюкопиранозы: амилозы и амилопек-тина в количестве 17-24 и 76-83% соответственно. Молекулы крахмала построены из большого числа (до 6-10 тыс.) остатков простых сахаров - моносахаров или моноз.
В пищевой промышленности крахмалы традиционно применяют как загустители и водосвязывающие компоненты при термической обработке пищевых систем [2, 3]. В настоящее время область их использования расширилась благодаря созданию модифицированных крахмалов (МК) с направленно измененными свойствами, путем физической, химической или комбинированной обработки. В [14] описаны основные типы МК:
расщепленные крахмалы образуют клейстеры низкой вязкости, что позволяет получать дисперсии их с высокой концентрацией полисахаридов, увеличенной стабильностью клейстеров и студнеобразующей способностью;
набухающие крахмалы в воде имеют пониженную вязкость, полисахариды хорошо удерживают влагу, они частично или полностью растворимы в холодной воде;
замещенные крахмалы - эфиры крахмала - в зависимости от их структуры могут образовывать дисперсии в холодной воде, либо дисперсии при температурах ниже точки начала клейстеризации крахмала, либо при обычных температурах для этого полисахарида; крахмалы этого вида образуют водные дисперсии разной
вязкости с повышенными стабильностью и устойчивостью к замораживанию-оттаиванию и к низким значениям рН.
Важнейшее свойство нативного крахмала - способность к набуханию и клейстеризации при нагревании и последующему гелеобразованию. Гелеобразующая способность (ГС) при охлаждении крахмалов характеризуется критической концентрацией гелеобразования (ККГ или гель-точка), причем уровень ККГ зависит как от вида крахмала, так и от условий среды гидратации: рН, температуры, ионной силы. Авторы [4] изучали влияние концентрации №С1 и уровня рН среды на характер изменения ККГ и структурно-механических свойств гелей, оценивали адгезионные свойства натуральных крахмалов и МК, полученных путем физической, химической или комбинированной обработки крахмалов. Установлено, что увеличение концентрации хлорида натрия сопровождается возрастанием ККГ, причем для каждого вида крахмала эти изменения имеют свои особенности. Для картофельного крахмала минимум гелеобразующих свойств наблюдается при рН 8,3 и концентрации соли 2,5%, гель-точка при этом составляет 4,97%. Для кукурузного крахмала минимум гелеобразующих свойств имеет место при рН 6,0 концентрации соли 2,5% и соответствует гель-точке 7,68%.
Установлено, что в отличие от нативных крахмалов, гелеобразующие свойства МК практически не зависят от концентрации соли и рН во всем исследованном диапазоне.
Наблюдаемое действие хлорида натрия на ГС нативных крахмалов, по всей видимости, объясняется чувствительностью содержащихся в них фосфатных групп к присутствию низкомолекулярных ионов. Экспериментальные данные подтверждают предположение, что с повышением концентрации соли возникает необходимость увеличивать и концентрацию крахмала для стабильного гелеобразования.
Экспериментально установлено, что крахмалы в умеренных количествах хорошо усваиваются и не оказывают отрицательного действия на организм. Однако превышение 10%-го их содержания в пище может вызывать нарушение работы желудочно-кишечного тракта. В этой связи Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам рекомендовал применять без ограничений лишь ферментнообработанные крахмалы [3].
В настоящее время ассортимент натуральных структурообразователей на основе полисахаридов животного происхождения невелик [2]. Особый интерес в этой группе представляет хитозан, являющийся производным природного целлюлозоподобного биополимера, относящегося к классу полисахаридов, - хитина. Структурная формула последнего состоит из нераз-ветвленной цепи Р-(1-4)-связанных остатков М-аце-тил-О-глюкозамина. Хитин широко распространен в природе, в частности он входит в состав опорных тканей и внешнего скелета ракообразных, насекомых и микроорганизмов. Получают хитин путем обработки сырья - измельченных в порошок высушенных панцирей ракообразных - разбавленными растворами кислот
и щелочей для удаления белковых веществ и минеральных примесей.
Разработана новая безреагентная технология переработки панцирьсодержащих гидробионтов, по которой панцири морских - краба, лангуста, креветки, криля - и пресноводных ракообразных - гаммаруса - обрабатывают электрохимическим способом. Обработка сырья в катодной и анодной зонах установки при одновременном воздействии рН среды, температуры, электрического тока на окислительно-восстановительные процессы обеспечивает получение биосорбентов хи-тин-хитозанового комплекса с широким диапазоном физико-химических характеристик [15].
Структурообразующие свойства хитозана - способность повышать вязкость и адгезию пищевых систем -исследовали при внесении его растворов в пищевые системы различной влажности. Установлено, что при концентрации хитозана 0,20-0,35% значения ПНС мяса криля, содержащего 0,5% поваренной соли и 2,9% растительного масла, увеличивается. Общая тенденция - увеличение липкости с ростом концентрации хи-тозана.
В настоящее время нет единой точки зрения на механизм гелеобразования в хитозановых растворах. Одни исследователи считают, что хитозановые гели образуются благодаря пересекающимся связям между двойными спиралями, другие - что хитозан образует гели вследствие гидрофобного взаимодействия между последовательно расположенными М-ацильными остатками. Характер связи может быть водородным, несколько слабее гидрофобные связи, но и они в процессе гелеобразования играют свою роль. Этот механизм действует, когда 66-75% аминогрупп ацелировано. Если М-ацелирование ниже 66%, то существенная часть аминогрупп остается протонированной, предотвращающей агрегацию цепочек вследствие электростатического отталкивания [16].
Способность хитозана растворяться в разведенных органических или минеральных кислотах с образованием бесцветных вязких растворов позволяет использовать его в различных отраслях промышленности в качестве структурообразователя.
Авторами [2] проведены исследования эмульгирующей способности хитозана, полученного из панциря антарктического криля, которые свидетельствуют, что хитозан проявляет свойства эмульгатора и загустителя и позволяет получать на его основе стойкие (не расслаивающиеся после замораживания и центрифугирования), густые (консистенции густой сметаны), белоснежные эмульсии прямого типа. Степень проявления хитозаном свойств эмульгатора и загустителя зависит от качества хитозана, которое характеризуется кинематической вязкостью его 1%- го раствора в уксусной кислоте, а также содержанием золы.
В работе [17] использование 0,1-0,3% хитозана в пересчете на сухой полимер как эмульгатора показало возможность регулирования реологических свойств эмульсии и коагеля (мясо краба - растительное масло). При максимальном содержании хитозана вязкость эмульсии удвоилась, а эластичность коагеля увеличилась в 1,5 раза.
Широкое применение хитозана в производстве пищевых продуктов связано с его нетоксичностью и биологической активностью. В настоящее время Объединенным комитетом экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам уточняется допустимая суточная доза хито-зана [18].
Рассмотрение важнейших свойств структурообра-зователей полисахаридной природы свидетельствует, что большинство из них проявляют специфические технологические свойства, благодаря которым их можно использовать по конкретному назначению. При этом нельзя выделить из всего перечня известных структурообразователей какой-либо универсальный, проявляющий совокупные свойства. Целесообразно дальнейшее изучение теоретических и практических основ механизмов образования структуры пищевых систем посредством использования структурообразователей, в частности разработка композиционных структурообразователей с регулируемой функциональной направленностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Косой В.Д., Виноградов Я.И., Малышев А.Д. Инженерная реология биотехнологических сред. - СПб.: ГИОРД, 2005. -
648 с.
2. Богданов В.Д., Сафронова Т.М. Структурообразовате -ли и рыбные композиции. - М.: ВНИРО, 1993. - 172 с.
3. Булдаков А.С. Пищевые добавки: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ДеЛи принт, 2001. - 436 с.
4. Жаринов А.И., Горлов И.Ф., Нелепов Ю.Н., Соколова Н.А. Пищевая биотехнология: научно-практические решения в АПК. - М.: Вест. РАСХН, 2003. - 384 с.
5. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродук-тов. - М.: ДеЛи, 2000. - 256 с.
6. Шелухина Н.П. Научные основы получения пектина. -Киев: Урожай, 1988. - С. 12.
7. Дудкин М.С., Щелкунов Л.Ф. Новые продукты питания . - М.: МАИК Наука, 1998. - 304 с.
8. Ильина И.А. Научные основы технологии модифицированных пектинов. - Краснодар, 2001. - 312 с.
9. Голубев В.Н., Шелухина Н.П. Пектин: химия, технология, применение. - М.: АТН РФ, 1995. - 388 с.
10. Кочеткова А .А. Некоторые аспекты применения пекти -на // Пищевая пром-сть. - 1992. - № 7. - С. 28-29.
11. Белова А.А., Кочеткова А.А. О каррагинанах глазами экономиста // Мясная индустрия. - 1998. - № 4. - С. 23.
12. Yuguchi Y., Urakawa H., Kajiwara K. Structural characteristics of carrageenan gels: various types of counter ions // Food Hydrocolloids. - 2003. - 17. - № 4. - Р. 481-485.
13. Каррагинан из красных водорослей для лечебно-профилактических продуктов / И.М. Ермак и др. // Пищевая пром-сть. -1998. - № 4. - С. 20-21.
14. Жушман А.И. Крахмалы и их модификации // Мясная индустрия. - 1998. - № 6. - С. 13-16.
15. Новая технология получения хитин-хитозановых биосорбентов / Г. В. Маслова и др. // Рыбное хоз-во. - 1996. - № 3. -
С. 60-61.
16. Куприна Е.С., Козлова И.Ю., Тимофеева К.Г. Современные тенденции в способах получения и применения хитина и хи -тозана. - М.: Информ. пакет, 1999. - Вып. III (I). - 60 с.
17. Технология продукции из ракообразных, полученной термотропной коагуляцией эмульсии / Г.М. Ким и др. // Изв. ТИНРО.
- 2001. - 129.
18. Донченко Л.В., Надышта В.Д. Безопасность пищевой продукции. - М.: Пищепромиздат, 2001. - 528 с.
Кафедра технологии мясных и рыыбнык продуктов
Поступила 09.06.04 г.
