CC BY
201
ibacinfo_
СЕКЦИЯ
Технические науки — от теории к практике mvw.sibac.info_№5 (53), 2016 г
«ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОКОЛЛОИДОВ-СТАБИЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Мысаков Денис Сергеевич
аспирант, ассистент кафедры Технологии питания, Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Уральский государственный экономический университет»,
РФ, г. Екатеринбург E-mail: paninaro95@;yandex. ru
Чугунова Ольга Викторовна
д-р техн. наук, проф., заведующая кафедрой Технологии питания, Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Уральский государственный экономический университет»,
РФ, г. Екатеринбург E-mail: chugun-ova@yandex. ru
RESEARCH THE POSSIBILITY OF APPLYING THE HYDROCOLLOID STABILIZERS FOR FOOD PRODUCTION
Denis Mysakov
graduate student, assistant of department of Food technology, Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State University of Economics", Russia, Ekaterinburg
Технические науки — от теории к практике № 5 (53), 2016г_
Olga Chugunova
doctor of technical sciences, professor, Head of department of Food
technology, Federal State Educational Institution of Higher Education
"Ural State University of Economics", Russia, Ekaterinburg
АННОТАЦИЯ
Количество пищевых добавок, используемых для производства продуктов в наше время, превышает 500, не считая комплексных пищевых добавок, ассортимент которых постоянно увеличивается.
Стабилизаторы являются пищевыми добавками, которые на основании общности свойств, проявляемых ими в пищевых системах, входят в самостоятельную группу пищевых ингредиентов, получившую название «пищевые гидроколлоиды». Их применение способствует повышению плотности и созданию определенной структуры пищевого продукта, сохраняющейся даже после тепловой обработки.
В последние годы ведется активная работа по разработке новых стабилизаторов-структурообразователей, позволяющих улучшить органолептические показатели качества изделий и стабилизировать показатели качества в процессе хранения. Стабилизаторы могут представлять собой как отдельные ингредиенты, так и комплексные смеси на их основе. Поэтому авторами настоящей статьи был проведен анализ ассортимента применяющихся на данный момент пищевых стабилизаторов и детально изучены объекты применения и объемы дозировок этих добавок в продукты питания.
ABSTRACT
The quantity of the food additives used for production of products presently exceeds 500, apart from complex dietary supplements which range constantly increases.
Stabilizers are food additives which on the basis of a community of the properties shown by them in food systems are included into the independent group of food ingredients which has received the name "food hydrocolloids". Their application promotes increase of density and creation of the certain structure of foodstuff remaining even after thermal treatment.
In recent years active work on development of the new stabilizers allowing to improve organoleptic indicators of quality of products and to stabilize quality indicators in the course of storage is conducted. Stabilizers can represent both separate ingredients, and complex mixes on their basis. Therefore authors of the present article have carried out the analysis of the range of the food stabilizers which are used at the moment and objects of
Технические науки — от теории к практике _№ 5 (53), 2016 г
application and volumes of dosages of these additives in food are studied in detail.
Ключевые слова: добавки; стабилизаторы; вязкость; структура; продукты.
Keywords: additives; stabilizers; viscosity; structure; products.
Как известно, гидроколлоиды широко используются во многих пищевых продуктах для улучшения потребительских характеристик и сроков годности при хранении изделий.
Гидроколлоиды представляют собой гетерогенную группу с длинной цепью полимеров (полисахаридов и белков), характеризующуюся свойством формирования вязких дисперсий или гелей при растворении. Наличие большого количества гидроксильных (-ОН) групп заметно повышает их сродство связывания молекул воды и делают их гидрофильными соединениями. Используясь в рецептурах супов быстрого приготовления, соусов, заправок для салатов и соусов, гидроколлоиды придают продукту желаемую вязкость и ощущения во рту. В мороженом, джемах, желе, загущенных десертах, тортах и конфетах они также создают нужную текстуру.
Гидроколлоиды, которые обычно используются в качестве стабилизаторов в пищевых продуктах, это: модификации крахмала, ксантановая и гуаровая камеди, камедь рожкового дерева, камедь карайи, трагакантовая камедь, гуммиарабик и производные целлюлозы, а также этерефицированные пектины, каррагинан, желатин, агар и геллан. Свойства этих гидроколлоидов представлены в таблице 1 [3, c. 407-414].
Таблица 1.
Свойства Гидроколлоидов
Название гидроколлоида Свойства
Ксантановая камедь Высокий уровень разжижения при механическом сдвиге; удерживается заданная вязкость в присутствии электролитов, высокой температуры и в широком диапазоне рН
Карбоксиметилцеллюлоза Высокая вязкость, но снижающаяся при добавлении электролитов и при низком рН
Метил целлюлоза и гидроксипропилметил целлюлоза Вязкость увеличивается с ростом температуры, но не зависит от рН и электролитов. Термообратимые гели, которые плавятся при нагревании
(1Г\ СибАК
Технические науки — от теории к практике ^^ № 5 (53), 2016г_www.sibac.info
Гуммиарабик Снижение вязкости при низких скоростях сдвига (<10 с-1)
Гуаровая камедь, камедь тары Очень высокая вязкость при низком сдвиге; значительное уменьшение вязкости при увеличении сдвига; не зависит от электролитов, но может деградировать при высоких и низких значениях рН и при высоких температурах
Коньяк маннан Высоковязкие дисперсии, которые не подвержены влиянию различных солей; образует термически необратимые гели с щелочью
Трагаккант Быстро набухает в холодной и горячей воде с образованием высоковязких дисперсий, вплоть до 4000 мПа-с на 1 % твердых веществ
Модифицированный крахмал Термически необратимые непрозрачные гели, образующиеся при охлаждении
Агар Термообратимые гели, образуются при охлаждении
К-каррагинан и 8-каррагинан Термообратимые гели, образуются при охлаждении
Низкоэтерифицированный пектин Термообратимые гели, образуются при охлаждении при низких значениях рН
Высокоэтерифициорованный пектин Термообратимые гели, образуются при охлаждении при высоко-кислом рН
Геллановая камедь Термообратимые высоко-прозрачные гели, образуются при охлаждении
Альгинаты Термообратимые гели не плавятся при нагревании
Крахмал является наиболее широко используемым стабилизатором по причине относительно дешевого и доступного исходного сырья. Он не придает какого-либо заметного постороннего привкуса, если используется при низкой концентрации от 2 до 5 %.
Кроме того, крахмал является натуральным компонентом многих продуктов. В промышленности в основном используется картофельный и овсяный крахмал, который добавляется в супы и соусы, причем зачастую в виде комплекса с ксантановой камедью. Стоит отметить, что овсяный крахмал в данном случае имеет лучшие стабилизирующие свойства по сравнению с картофельным крахмалом. Объясняется такой эффект тем, что и картофельный крахмал, и ксантановая камедь являются анионными полисахаридами и,
Технические науки — от теории к практике _№ 5 (53), 2016 г
следовательно, являются термодинамически несовместимыми для эффективного межмолекулярного взаимодействия, необходимого для сгущения. В то же время в десертных соусах, например, в клубничном, сочетание именно картофельного крахмала и ксантановой камеди оказывается наиболее предпочтительным, обеспечивая стабильные сенсорные и текстурные свойства данных соусов в течение трех месяцев [6, а 1144-1151].
Растворимость гуаровой камеди и плодов рожкового дерева значительно зависит от массовой доли галактозы в их химическом составе. Гуаровая камедь, имеющая более высокое содержание галактозы, почти полностью растворима как в холодной, так и в горячей воде. В отличие от нее, раствор камеди рожкового дерева должен быть нагрет для полной растворимости стабилизатора.
Вязкость получившихся растворов обычно колеблется в пределах от 6000 до 7500 мПас для гуаровой камеди и 3000-3500 мПас для камеди рожкового дерева на 1 % сухого остатка. Причиной более высокой вязкости гуаровой камеди по сравнению с камедью рожкового дерева является более высокая молекулярная масса гуаровой камеди.
Карбоксиметилцеллюлоза, как и гуаровая камедь, растворима в холодной и горячей воде. Дисперсия данного стабилизатора демонстрирует уменьшение вязкости при механическом сдвиге, вязкость раствора уменьшается с повышением температуры. Другие производные целлюлозы - метилцеллюлоза и гидроксипропилметил-целлюлоза. В отличие от карбоксиметилцеллюлозы, они образуют слабые гели при нагревании выше 52°С для метилцеллюлозы и 63-80°С гидроксипропилметилцеллюлозы. Данные соединения используются для структурообразования и сохранения формы в таких растительных продуктах, как картофельные крокеты и соевый протеин.
Гуммиарабик (аравийская камедь), в основном, используется в качестве эмульгатора в эмульсиях напитков. Это вызвано низким показателем вязкости, так как для достижения одинакового значения вязкости требуется либо внесение 1 % ксантановой камеди, либо 30 % гуммиарабика, что экономически нецелесообразно и, кроме того, приводит к устойчивости только при низких скоростях сдвига. Водные дисперсии гуммиарабика демонстрируют снижение вязкости при низких скоростях сдвига (<10 с-1) и свойства ньютоновской жидкости при скорости сдвига выше 100 с-1.
Еще один гидроколлоид, который используется в качестве стабилизатора это камедь трагакант. Эта смола быстро набухает
Технические науки — от теории к практике № 5 (53), 2016г_
в холодной и горячей воде с образованием высоковязких дисперсий, вплоть до 4000 мПа с в зависимости от вида. Для такой дисперсии характерно уменьшение вязкости при механическом сдвиге и хорошая текучесть.
Соусы, такие как майонез и кетчуп, являются одними из главных продуктов питания, в которых гидроколлоиды используются для регулирования реологических характеристик. Зарубежными исследователями отмечена стабильность и даже увеличение вязкости при механическом сдвиге при добавлении камеди рожкового дерева, трагаканта, гуаровой и ксантановой камеди в кетчуп, в то время как дополнительное внесение карбоксиметилцеллюлозы приводило к снижению этой стабильности [5, с. 1015-1022].
Другие исследования были посвящены реологическим характеристикам рисовых лепешек [8, с. 305-312]. Гидроксипропил-метилцеллюлоза, которая была добавлена в рецептуру рисовых лепешек демонстрировала самый низкий показатель вязкости, в то время как смесь ксантановой и гуаровой камедей приводила к самой высокой вязкости. За исключением образца с гидроксипро-пилметилцеллюлозой, другие камеди, такие как ксантановая, гуаровая и камедь рожкового дерева, увеличивали стабильность эмульсии жидкого рисового теста.
Важную роль играет химический состав растворителя. Растворенные вещества, такие как сахароза, непосредственно влияют на реологические статус гидроколлоидных гелей.
Смешивание различных гидроколлоидов предполагает альтернативный путь к разработке текстуры продукта. Основной интерес заключается в развитии синергетических смесей с увеличенной степенью гелеобразования. В данном случае смесь ксантановая камедь и галактоманнана при соотношении 20:80 соответственно является одной из наиболее широко изученной системой синергетических стабилизаторов, добавление которой приводит к образованию геля и, закономерно, к увеличению вязкости раствора при комнатной температуре.
В то же время, например, смеси ксантановой камеди и камеди рожкового дерева при соотношении 50:50 требуют более высокую концентрацию (>0,03 %) в растворе и нагревания до 90-95°С, образуя при этом мягкие и эластичные гели.
Ксантановая камедь также проявляет синергический эффект с коньяком маннаном при нейтральном значении рН при соотношении коньяк:ксантановая камедь 70:30. Это приводит к образованию термообратимого геля, похожего по структуре на желатиновый. Таким
Технические науки — от теории к практике _№ 5 (53), 2016 г
образом, эти гидроколлоиды в смеси могут обеспечить при необходимости полноценную замену желатина в продуктах, где кислотность близка к умеренной, например, в мармеладе [1, с. 713-724].
К-каррагинан представляет собой гелеобразующий агент, синергетические взаимодействия которого проявляются с камедью рожкового дерева при кратковременном кипячении и последующем охлаждении до температуры ниже 50°С с получением сильных упругих гелей. Максимальное взаимодействие и пик прочности геля достигается при соотношениях 60:40 и 40:60 к-каррагинан и камеди рожкового дерева соответственно. Эти полимерные комбинации используются в больших количествах в мясосодержащих продуктах и кормах для скота. Кроме того, смесь к-каррагинана и камеди рожкового дерева также может быть использована для глазирования тортов. Сочетание к- и s-каррагинана также способно привести к образованию эластичного геля, который похож по основе на желатиновый по своей текстуре. Также коньак маннан активно взаимодействует с к-каррагинаном, образуя прочные эластичные гели, имеющие прочность к сдвигу в четыре раза выше, чем у чистого геля к-каррагинана.
Синергический эффект камеди рожкового дерева с каррагинаном широко используется в приготовлении столовых желе с низким содержанием сахара и органических кислот. Фруктовые гели на основе этой смеси имеют преимущество перед подобными, но полученными в результате внесения пектина из-за более высокой растворимости каррагинана в растворах сахаров, в то время как пектин должен быть предварительно растворен в воде. Более того, в кислых условиях (рН<4), каррагинаны требуют более высоких температур для деградации, в отличие от пектинов.
Альгинаты могут образовывать гели без предварительного нагрева, так как альгинат натрия хорошо растворимы в холодной воде, и эти «холодные» гели термостабильны. Это делает альгинаты предпочтительными стабилизаторами для реструктурированных продуктов, например, заварных кремов, пудингов, десертов и фруктовых препаратов [2, с. 22-30]. Во фруктовых начинках для пирогов и столовых желе альгинаты также используются, но с учетом того, что они несовместимы с молоком.
Каррагинаны нашли свое применение в молочных десертах, таких как пудинги, молочные коктейли, мороженое, молочный шоколад и сырах из-за их способности образовывать гели в молоке при значительно более низких концентрациях по сравнению с любым другим стаблизатором. К-каррагинан образует гели из-за электроста-
Технические науки — от теории к практике № 5 (53), 2016г_
тического взаимодействия между положительно заряженной области к-казеина и отрицательно заряженной сульфатной группы к-каррагинана, что приводит к увеличению реакционной способности молока. При низких концентрациях (2 г/л), каррагинан также увеличивает удерживание воды у соевых белковых гелей, что значительно уменьшает твердость, например, тофу. Из-за прозрачности геля каррагинана и высокой температуры желатинизации, этот стабилизатор ценится в приготовлении глазурей для тортов и десертных гелей на воде.
Пектины являются наиболее предпочтительными стабилизаторами для кислых фруктовых гелей из-за того, что являются кислотно-устойчивыми. Высоко- и низкоэтерефицированные пектины находят максимальное применение в изготовлении джемов и желе. Это вызвано тем, что пектины, особенно высокиэтерефицированные, требуют >55 % массовой доли сахара для гелеобразования. Низко-этерефицированные пектины также используются для производства глазурей в хлебопекарной промышленности. Другие применения пектина включают как водные гели, так и гели на основе молока. Молоко и молочные продукты могут быть легко сгущены низко -этерефицированным пектином, потому что они содержат кальций -катализатор реакций пектинового гелеобразования.
Желатин демонстрирует широкий диапазон функциональных свойств. Желатиновые гели плавятся при относительно низкой температуре, и они медленно загустевают, что делает желатин предпочтительным гелеобразователем в йогуртах, обезжиренных спредах и сахаристых кондитерских изделиях. В зефирных изделиях, как и в студнях, желатин используют для придания продукту эластичности и упругости. Желатин также добавляется в ароматизированные гелеобразные молочные десерты и кремы, либо по отдельности, либо в сочетании с каррагинаном. Конкретно в десертных кремах он используется для получения гладкой текстуры геля.
Агар находит свое применение практически во всех областях пищевой промышленности. Высокая температура плавления гелей агара улучшается путем добавления солей. Поэтому агар активно используется в выпечке хлебобулочных и кондитерских изделий, где превосходит по своим свойствам каррагинан и намного желатин. В производстве консервов из мяса, рыбы и продуктов из птицы, агар также используется на уровне 0,5-2,0 % [7, с. 225-228].
Геллановая камедь является уникальной в спектре стабилизирующих агентов. Быстрое гелеобразование, низкая концентрация в растворе, готовый прозрачный гель и отсутствие посторонних
Технические науки — от теории к практике _№ 5 (53), 2016 г
привкусов делают геллан предпочтительным желирующим агентом для пищевых продуктов. Он также используется в начинках хлебобулочных изделий в качестве частичной замены крахмала и в десертах на водной основе из-за прозрачности его готового геля и умеренной термической стабильности. Она также может быть объединена с ксантановой камедью или камедью рожкового дерева для производства десертов с целью улучшения удержания влаги, выделения аромата и стабильности при хранении. Геллановая камедь также выступает очень хорошим стабилизатором в восстановленных овощных соках и напитках, в которых может быть использована для получения дисперсий [4, с. 1015-1022].
Таким образом, все основные направления использования различных стабилизаторов в пищевых продуктах были сведены в таблицу 2.
Таблица 2.
Использование стабилизаторов в производстве пищевых продуктов
Наименование Ксантановая камедь а я и- Камедь рожкового дерева Пектины Альгинаты Каррагинаны Желатин Агары Геллановая камедь Модифицирован ный крахмал
Напитки
соки, нектары + + + + + + + + + +
напитки б/а + + + + + + - - + +
напитки алкогольные - + - + - + + + - +
Молочные продукты
мороженое + + + + + + + + + +
йогурт + + + + + + + + - +
коктейль + + + + + + - + - +
сливки + + + - - + + + - -
сыр + + + + + + + + - +
десерты + + + + + + + + + +
Кондитерские изделия
мармелад + - + + + + + + + -
глазурь + - + - - + + - + +
джем, варенье + + + + + + - + + +
фруктовое желе + + + + + + + + + +
жевательная резинка + - - - - + - + - -
(ff \ СибАК
Технические науки — от теории к практике ^^ № 5 (53), 2016г_www.sibac.info
мучные кондитерские изделия + + + + + + - + + +
Мясные изделия
фарш + + + + + + + + + +
паштет + + + + + + + + + +
колбаса + + + + - + + - - +
бульоны + + + - + + - + - +
Другие продукты
соусы и заправки + + + + + + + + + +
вкусо-аромати-ческие приправы + + + - - - + - - +
хлебобулочные изделия + + + + + + + + + +
маргарин (спреды) + + + + + - + - - +
рыбные консервы + + + + + + + + - +
овощные консервы + + + + + - + + - +
На основании данных таблицы можно сделать вывод от том, что наиболее распространенным и многофункциональным загустителем-стабилизатором является ксантановая камедь - внеклеточный неусваиваемый полисахарид, представляющий собой продукт особого вида брожения микроорганизов вида Xanthomonas campestris в процессе своей жизнедеятельности. Производство ксантановой камеди - сложный многоступенчатый процесс приготовления посевного материала, предусматривающий последующее брожение в танках из нержавеющей стали и выделение продукта спиртовым осаждением. Этот факт объясняет ограничение использования данного стабилизатора в алкогольных напитках из-за растворения его в спирте.
Химическое строение полисахарида микробного происхождения ксантановой камеди обуславливает его хорошую растворимость в холодной и горячей воде и сообщает его растворам высокую вязкость при низкой концентрации, что и послужило причиной популярности данной добавки в пищевой промышленности.
Список литературы:
1. Agoub A.A. Melt-in-the-mouth gels from mixtures of xanthan and konjac glucomannan under acidic conditions - a rheological and calorimetric study of the mechanism of synergistic gelation / A.A. Agoub, A.M. Smith, P. Giannouli, R.K. Richardson, E.R. Morris // Carbohydr Polym. 2007. - № 69.
2. De Vries J. Hydrocolloid gelling agents and their applications // Gums and stabilizers for the food industry, Vol. 12. Oxford: RSC Publishing, 2004. -P. 22-30.
Технические науки — от теории к практике _№ 5 (53), 2016 г
3. Gibinski M. Thickening of sweet and sour sauces with various polysaccharide combinations / M. Gibinski, S. Kowaski, M. Sady, J. Krawontka, P. Tonasik, M. Sikora // Food Eng. 2006. - № 75.
4. Liang C. Effect of hydrocolloids on pulp sediment, white sediment, turbidity and viscosity of reconstituted carrot juice / C. Liang, X. Hu, J. Wu, F. Chen, X. Liao // Food Hydrocolloids. 2006. - № 20.
5. Sahin H. Effect of some hydrocolloids on the rheological properties of different formulated ketchups / H. Sahin, F. Özdemir // Food Hydrocolloids. 2004. -№ 18
6. Sikora M. Rheological and sensory properties of dessert sauces thickened by starch-xanthan gum combination / M. Sikora, S. Kowalski, P. Tomasik, M. Sady // Food Eng. 2007. - № 79.
7. Stanley N.F. Agar // Food polysaccharides and their applications. Florida: CRC Press, Boca Raton, 2006.
8. Turabi E. Rheological properties and quality of rice cakes formulated with different gums and emulsifier blend / E. Turabi, G. Summu, S. Sahin // Food Hydrocolloids. 2008. - № 22.
