Пищевые добавки – загустители – #Sekta: информационный портал

Эти вещества применяются в производстве очень широкого ассортимента пищевых продуктов: кондитерских изделий, молочных, рыбных, мясных продуктов, напитков, мороженого, майонезов и т.д. Они создают и стабилизируют нужную консистенцию продукта, гелеобразователи, как нетрудно предположить, образуют гелевую структуру продукта. Гель – это структурированная коллоидная система с жидкой дисперсионной средой. Каркас представляет собой поперечно сшитые полимерные цепи гелеобразователя.

Загущение, стабилизация и гелеобразование – тесно связанные между собой понятия, и разделить их сложно. Часто одно и то же вещество в разной концентрации может выполнять все эти три функции. К таким пищевым добавкам относятся природные вещества животного и растительного происхождения, а также полусинтетические продукты переработки целлюлозы, пектина, крахмала и т.д. Существуют и синтетические загустители – поливиниловые спирты и их эфиры.

Наиболее известные среди желирующих, загущающих и стабилизирующих веществ – агар, желатин, пектин, крахмал, целлюлоза. Рассмотрим эти и другие вещества более подробно.

АГАР И АГАРОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Агар, агароид и другие агароподобные желирующие вещества с углеводной основой, получаемые из багряных (красных) морских водорослей, относятся к группе фитоколлоидов, они растворимы в горячей воде, дают коллоидные растворы с высокой вязкостью и образуют при охлаждении прочные студни даже при небольшой (1…3%) концентрации.

Агар (е406, агар-агар)

Основной желирующий агент, вырабатываемый из водорослей гелидиум (у нас – дальневосточный агар) и грациллярия; в нашей стране – также из анфельции, распространённой в Белом море (беломорский агар). Производство агара в России началось после 1917 г., до этого агар ввозили из Японии.

Производство агара и подобных ему веществ включает следующие основные операции: промывание водорослей, их вываривание (извлечение агара горячей водой), очистку отвара (фильтрование, а также адсорбционная или ионитная очистка), выделение агара, высушивание, а также вымораживание.

Агар и подобные ему фитоколлоиды имеют некоторые общие химические и физико-химические свойства. Все они являются высокомолекулярными природными полимерами с углеводной полисахаридной основой. Вместе с тем они относятся к полиэлектролитам или высокомолекулярным электролитам, каждая молекула которых имеет большое количество ионогенных групп, часто с высокой плотностью зарядов и большим электростатическим взаимодействием одноимённых заряженных групп.

Свойства электролитов обусловлены главным образом присутствием серосодержащих групп, которые связаны с катионами. Характерной особенностью багряных водорослей является их способность накапливать значительное количество сульфатов полисахаридов.

Следует считать, что агар является смесью полисахаридов агарозы и агаропектина, отличающихся по содержанию сульфатных групп и другим показателям. Природные агары различного происхождения во многих случаях значительно отличаются между собой по химическому составу, физико- химическим свойствам. Они содержат различные составные части, которые часто являются примесями (азотистые, минеральные вещества и др.). Могут, по-видимому, находиться в различных соотношениях такие составные компоненты, как функциональные группы углеводного характера, карбоксильные, сульфогруппы. Последние, весьма вероятно, представлены сульфоксильными (R-SО₃H) группами, а не эфирами серной кислоты (R-О-SО₃H).

У беломорского агара было отмечено, что соотношение мономеров с указанными функциональными группами (-СН₂ОН, -СООН, -SО₃H) приблизительно равно 85:12:3.

Агар применяется в кондитерской промышленности при производстве зефира, пастилы, мармелада, желе, в производстве мороженого, мясных, рыбных студней. Его желирующая способность в 10 раз выше, чем у желатина.

Каррагинан (Е407) получают из хондруса (Chondrus cripus) и других водорослей. К промежуточным между ними видам желирующих веществ относятся вырабатываемые у нас агароид из водоросли филлофора (Phyllophora nervosa) и фурцелларан из водорослей фурцеллярия (Furceillaria fastigiata).

Агароид

Агароподобное вещество, похожее на агар. Черноморский агар (собственно агароид) получают в Одессе. Производство агароида аналогично производству агара, но без промывания студня, так как в этом случае примеси отмываются хуже и частично удаляются желирующие вещества: отвар очищают, обрабатывая активированным углем, и высушивают на вальцовых сушилках. Наиболее характерные физико-химические особенности агароида, отличающие его от собственно агара, – более низкая желирующая способность (в среднем в 2…3 раза), температура плавления и застудневания, меньшая химическая устойчивость и др.

Разница между свойствами агара и агароида в основном обусловливается тем, что в коллоидных растворах размер частиц агара значительно больше частиц агароида. Студни на основе агара прочнее, термостабильнее, и образуются при меньшей концентрации агара.

Агароид, как и агар, является полиэлектролитом и в водной среде диссоциирует на высокомолекулярные анионы, в состав которых входят сульфогруппы и полисахариды, и на катионы. Агароид отличается от агара очень высокой (в 3…4 раза большей) зольностью и соответственно более высоким (в 4…6 раз) содержанием сульфоксильных групп. В нем на одну сульфоксильную группу приходится меньше остатков гексоз, чем в агаре (в этом отношении он ближе к каррагинану, чем к агару). В гидролизатах агароида найдено 60…70% редуцирующих веществ (углеводов), в том числе 24% а-галактозы. Тип глюкозидной связи остатков гексоз – а-1→4. К основным катионам агароида, связанным с сульфогруппами и диссоциированным в водном растворе агароида, относятся Na , К , Са² , Mg² , в небольших количествах присутствуют микроэлементы Fe, Al, Мn, Са. Состав минеральных элементов в агароиде может значительно изменяться в зависимости от технологических условий, так как агароид обладает свойствами природного ионообменника. Это оказывает сильное влияние на его физико-химические свойства, на студнеобразующую способность.

Структурная формула агароида аналогична формуле агара. Агароид следует считать производным полигалактана, относящегося к полисульфокислотам; соотношение мономеров с основными функциональными группами в нем (-СН₂ОН, -СООН, -SО₃H) приблизительно равно 50:45:5, что существенно отличает его от агара.

Фурцелларан

Сейчас производится в нашей стране в Архангельске. Фурцелларан близок к агароиду по содержанию золы и сульфат-ионов. Одна сульфогруппа приходится у него на 3…4 галактозных остатка. Фурцелларан имеет некоторое сходство и с агаром. Прочность студня у фурцелларана несколько меньше, чем у агара, но больше, чем у агароида. Гидролизат фурцелларана содержит а-галактозу (13,9%), (3-галактозу (4,6%), глюкозу (5,1%), ксилозу (3,7%) и следы фруктозы.

Альгиновая кислота

Альгиновая кислота (Е400), её соли (Е401…Е404) и пропиленгликольальгинат (Е405) также являются желирующими агентами. Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях и представляют собой полисахариды. Наиболее популярен из альгинатов – альгинат натрия. Его получают путём обработки водорослей едким натром. Образующийся альгинат растворим в воде. Полученный раствор отделяется и очищается. Альгинат натрия – высокомолекулярный электролит, его растворы отличаются большой вязкостью и при больших концентрациях дают студни. Введение альгината натрия в небольших количествах в состав растворов агара и пектина повышает желирующую способность смесей и позволяет получать более эластичные студни. Концентрация альгината 0,1-1,0 %.

Желатин

Желатин – белок, получаемый из костей, хрящей, сухожилий крупного рогатого скота и свиней. Представляет собой смесь линейных полипептидов с молекулярной массой 100 000. ..200 000. Желтоватый порошок или гранулы без вкуса и запаха. Желатин набухает в холодной и растворяется в горячей воде. После охлаждения образует гель. Применяется в кулинарии при приготовлении рыбных и мясных желе, а также в производстве жевательных конфет, мороженого, кремов, для осветления напитков.

Для получения геля используется концентрация 10…12% (для других целей – меньшая). Основная характеристика желатина – прочность стандартного студня. В России измеряется в граммах по Валенту (500…1300), в других странах – в граммах по Блуму (150…300). Чем выше это значение, тем меньше требуемая дозировка желатина данной марки.

Пектиновые вещества

Пектиновые вещества относятся к фитополисахаридам, полиуронидам, т.е. производным уроновых кислот, которые входят в состав многих жизненно важных биополимеров. Уроновые кислоты – моносахариды, в которых первичная спиртовая группа окислена в карбоксильную группу.

В химическом отношении под термином «пектиновые вещества» понимаются производные полигалактуроновой кислоты, которая является основой всех пектиновых веществ.

Молекулы пектиновых веществ имеют линейную структуру и построены из остатков галактуроновых кислот. Часть карбоксильных групп пектина этерифицирована метильными группами.

Моносахариды в пектиновых веществах имеют пиранозную форму. Между моносахаридными остатками имеются глюкозидные а-1→4 связи.

Пектиновые вещества относятся к одним из наиболее распространённых природных полимеров и представляют собой высокомолекулярные соединения растительного происхождения. Они присутствуют во всех наземных растениях и в ряде водорослей, содержатся в больших количествах во фруктах, ягодах, а также стеблях и корнях некоторых растений. Пектиновые вещества входят в состав межклеточного вещества растений, придают клеткам пластичность и играют важную роль в жизнедеятельности растений. Благодаря гидрофильности эти вещества способны удерживать различное количество воды, предохраняя растения от высыхания, и обеспечивают тургор (лат. turgere – быть набухшим).

Следует различать протопектины, пектины, пектиновые кислоты и пектиновые вещества.

Протопектины

Это нерастворимые в воде природные пектины растений, связанные между собой различными поперечными связями в сетку. Эти связи могут быть водородными (-О    Н-) за счёт гидроксильных групп, ангидридными за счёт карбоксильных групп, сложноэфирными за счёт фосфорной кислоты (присутствующей в составе плодов, овощей) и гидроксильных групп полигалактуроновых цепочек и, наконец, это могут быть солевые мостики через кальций или магний (-СОО-Са-СОО- или -COO-Mg-CОО-), играющие основную роль в свойствах протопектина.

Протопектин, входящий в клеточную стенку, является макромолекулярным комплексом, в котором, кроме пектиновых веществ, участвуют другие полисахариды. Протопектин содержится в клеточных стенках, играя опорную роль: входит в состав незрелых овощей и фруктов, обусловливая их жёсткость. По мере созревания овощей, фруктов или при их термической обработке поперечные связи в молекуле протопектина разрываются и он переходит в более простой, легче усвояемый углевод – пектин. Скорость размягчения протопектина при кулинарной обработке зависит от содержания в продукте органических кислот, способствующих расщеплению солевых мостиков. Чем больше органических кислот содержат овощи, тем меньше времени требуется для их кулинарной обработки.

Переход протопектина в пектин объясняется замещением двухвалентных ионов кальция или магния в макромолекуле протопектина на одновалентный натрий, что вызывает распад макромолекулы. Это демонстрирует следующая схема:

Пектины (или гидропектины) растворимы в воде. Они представляют собой полимергомологические макромолекулы полностью или частично метоксилированные и в определённой степени полимеризованные галакгуроновые кислоты, соединённые одна с другой в цепи.

Пектиновые кислоты – полимергомологические макромолекулы, состоящие из связанных в цепочку остатков галактуроновых кислот, частично этерифицированных метиловым спиртом. Их можно рассматривать как продукты частичного распада пектина с пониженной степенью метоксилирования. Они растворимы в воде.

В промышленности пектины получают из яблочных выжимок, кожуры цитрусовых плодов, свекловичного жома, вымолоченных корзинок подсолнечника.

В зависимости от сырья и способа получения пектин имеет разную молекулярную массу и различное молекулярно-массовое распределение, а значит и разные свойства. Т. е. часть кислотных групп путём химических реакций превращают в сложноэфирные, конкретно в метоксильные. Если метоксильных групп в молекуле больше, чем кислотных (т.е. >50%), пектин называют высокометоксилированным, если же их в молекуле меньше, чем кислотных, то такой пектин – низкометоксилированный.

В пищевой промышленности пектины используются в качестве гелеобразователей. Низко- и высокометоксилированные пектины образуют гели с различными свойствами и при разных условиях, поэтому и области их использования различны.

Высокоэтерифицированные пектины имеют степень этерификации более 50%, обычно 56…65, иногда до 76…78%. Для образования геля в присутствии высокометоксилированного пектина концентрация сухих веществ в желируемой массе должна быть не менее 55% и рН не более 3,6. То есть это должна быть очень густая масса с определённым содержанием кислоты. При желировании высокометоксилированных пектинов образуются прочные гели (мармелад). Высокоэтерифицированные пектины принято стандартизировать на прочность геля по методу США-Саг.

Низкоэтерифицированные пектины имеют степень этерификации менее 50%: 44…38, до 35. Они в состоянии образовывать гель независимо от концентрации сухих веществ и рН желируемой массы, но в присутствии катионов кальция. Низкоэтерифицированные пектины образуют комплексные соединения не только с кальцием, но и с ионами других поливалентных металлов (цинк, свинец, кобальт, стронций). Таким образом они выводят из организма тяжёлые металлы и радионуклеиды. Прочность геля из низкометоксилированного пектина существенно ниже прочности геля из высокометоксилированного пектина. Мармелад с низкоэтерифицированным пектином сварить невозможно. Зато получается хороший йогурт, низкожирная сметана и другие желеобразные продукты.

Низкоэтерифицированные амидированные пектины – это пектины низкой степени этерификации (38…28%), содержащие амидные группы. Для желирования с помощью амидированных пектинов также требуется присутствие ионов кальция, но в значительно меньшей дозировке.

Крахмалы

Природные крахмалы (картофельный, кукурузный и другие) являются природными загустителями и стабилизаторами, хотя и не считаются пищевыми добавками. Правда, у них есть ряд недостатков: они не растворимы в холодной воде, клейстеры склонны к ретроградации, не выдерживают высоких температур, циклов замораживания–оттаивания, воздействия кислот и т.д. Физическими и химическими способами природные (нативные) крахмалы превращают в модифицированные (см. схему на рис. 3), лишённые этих недостатков. Модифицированные крахмалы также применяют в качестве загустителей и стабилизаторов, но уже более технологичных. Ряд модифицированных крахмалов приобретают свойства эмульгаторов.

Рис. 3.Классификация модифицированных крахмалов
(А. И. Жушман, 1996 г.)

Расщеплённые крахмалы называют еще жидко кипящими, так как клейстеры таких крахмалов имеют низкую вязкость. Крахмалы этой группы получают путём расщепления полисахаридных цепей кислотами, окислителями, амилазами, некоторыми солями, облучением ץ-лучами и т.д. В результате указанных воздействий происходит хаотическое или направленное расщепление глюкозидных и других связей, уменьшается молекулярная масса, возникают внутренние и межмолекулярные связи, появляются новые карбонильные и карбоксильные группы.

Может происходить частичное нарушение структуры зёрен крахмала, но зернистая форма крахмала сохраняется. Расщеплённые крахмалы находят весьма широкое применение. Так, кислотной обработкой получают растворимый крахмал, используемый в аналитической химии в иодометрии; крахмал, также модифицированный кислотами, используется при проклейке бумаги для улучшения качества печати и увеличения её прочности; в пищевой промышленности крахмал этого типа используют для приготовления желейных конфет, восточных сладостей и т.д.

Окисленные крахмалы получают путём воздействия на крахмал окислителей: перманганатов, пероксидов, йодной кислоты, её солей и других соединений. В результате происходит гидролитическое расщепление глюкозидных связей с образованием карбонильных групп, окисление спиртовых групп в карбонильные, а затем в карбоксильные. Крахмалы, окисленные йодной кислотой, имеют по две альдегидные группы в глюкозном остатке (их называют диальдегидными). Такие крахмалы используют в бумажной промышленности, а при низкой степени окисления (до 2%) – в пищевой.

При окислении картофельного и кукурузного крахмалов перманганатом калия в кислой среде получают крахмал, используемый в качестве желирующего компонента, как заменитель агара или пектина. Такой крахмал применяют в производстве кондитерских изделий, мороженого, продуктов молочной и пищеконцентратной промышленности, а также в текстильной промышленности.

При использовании в качестве окислителя бромата калия, перманганата калия и гипохлорита кальция получают крахмал с невысокой степенью окисления для использования в хлебопечении. Такой крахмал (в количестве 0,5% к массе муки) улучшает физические свойства теста, его газоудерживающую способность, позволяет сократить время брожения опары. Качество хлеба при этом улучшается: увеличивается объёмный выход, улучшается структура пористости мякиша, замедляется процесс черствения.

Для получения окисленных крахмалов следует вводить реагент в водную суспензию крахмала определённой плотности, причём температура, при которой идёт реакция, должна быть значительно ниже температуры клейстеризации крахмала (28°С – при модификации крахмала кислотой; 40…43°С – при окислении перманганатом калия и т.д.). Время воздействия реагента меняется в широких пределах: так, при кислотной обработке – 19…20 сугок, а при окислительном воздействии различных окислителей – 15…45 минут. По окончании реакции суспензию нейтрализуют, разбавляют водой, отделяют жидкую фракцию, а отмытый крахмал обезвоживают и высушивают при 45°С.

К группе набухающих крахмалов относят модифицированные крахмалы, полученные при влаготермической обработке, вызывающей частичное или полное разрушение структуры зёрен крахмала. Технология состоит в следующем: в суспензию крахмала с содержанием крахмала 40…42% (сухого) в зависимости от назначения вводят химические реагенты и выдерживают 15 минут при температуре 40…45°С, после чего подают на вальцовые сушилки для клейстеризации и высушивания. Крахмал сушат в тонком слое, плёнку срезают ножом с барабана, измельчают, просеивают, а затем готовый крахмал фасуют. В пищевой промышленности набухающие крахмалы применяют для стабилизации влаги кондитерских пен, при приготовлении мороженого, пудингов быстрого приготовления, для получения безбелковых продуктов питания – хлеба, макарон и т.д., продуктов диетического назначения.

По своим свойствам к группе набухающих крахмалов относят экструзионные крахмалы и крахмалопродукты. Их получают в условиях интенсивной влаготермической обработки при повышенных влажности (до 35%) и температуре (до 200°С) и значительном механическом воздействии. В результате зёрна крахмала теряют свои первоначальные структуру и свойства, что позволяет получать новые виды продуктов. Экструзионные крахмалы получают на экструзионных установках. В процессе экструзии предварительно увлажнённый материал подвергается сжатию, разогреву до клейстеризации крахмала и последующему выдавливанию через сопла матрицы. Экструдаты кукурузного крахмала применяют для производства продуктов из мяса, рыбы и т.д.

К группе замещённых крахмалов относят крахмалы, свойства которых изменены в результате присоединения химических радикалов. Получение замещённых крахмалов, таких как простые и сложные эфиры, основано на возможности реакционноспособных групп – концевых редуцирующих групп, спиртовых групп у второго, третьего и шестого атомов углерода глюкозных остатков – вступать в реакции замещения с различными органическими и неорганическими соединениями.

Фосфатные крахмалы.В настоящее время получают монокрахмалофосфаты и дикрахмалофосфаты. В монокрахмалофосфатах один гидроксил глюкозного остатка этерифицирован фосфорной кислотой, в дикрахмалофосфатах происходит взаимодействие гидроксилов глюкозных остатков разных цепей с двумя кислотными группами фосфорной кислоты или её солей. Фосфатный крахмал марки А используют при производстве мучных кондитерских изделий, крахмал марки Б – для приготовления майонезов, кремов, соусов, продуктов детского и диетического питания.

Ацетилированные крахмалы. Представляют собой смесь продуктов, получаемых обработкой крахмала ледяной уксусной кислотой. Содержание ацетильных групп колеблется от 3 до 6%. Процесс ацетилирования комбинируют с введением в полисахаридные цепи поперечных связей. Такие крахмалы используют в производстве консервированных, замороженных, сухих продуктов питания, а также в сухих смесях кремов и начинок.

Сополимеры крахмала. Эту разновидность модифицированных или поперечно-связанных крахмалов получают путём образования между рядом стоящими полисахаридными цепочками поперечных связей. Сополимеры получают путём обработки крахмала с помощью формальдегида, хлорокиси фосфора, эпихлоргидрина или триметафосфата натрия (дикрахмалофосфат). После окончания реакции суспензию нейтрализуют кислотой, продукт промывают водой и сушат. Сшитые крахмалы используют в пищевой, бумажной, текстильной промышленности для повышения устойчивости полисахаридных цепей при тепловой или механической обработке.

Целлюлоза

Целлюлоза (Е 460) и её производные (Е461…Е467).

Целлюлоза представляет собой полисахарид, состоящий из остатков D-глюкопиранозы, соединённых (3-1→4– гликозидной связью.

Она бывает порошкообразной и микрокристаллической. Целлюлозные добавки применяют в хлебопечении, в кондитерском производстве, в молочных продуктах, напитках и некоторых других продуктах.

Камеди

Камеди (Е410…Е419) – растительные полисахариды (ксантан Е415 – микробный полисахарид), применяемые в производстве соусов, майонезов, кетчупов, мороженого, молочных продуктов, напитков, десертов, и т.д. Как правило, представляют собой размолотые очищенные смолы тропических деревьев. Все они за исключением гуммиарабика уже в малой концентрации увеличивают вязкость растворов и, тем самым, создают нужную консистенцию продукта.