Сахарозаменители

Углеводами (сахарами, сахаридами) называется обширная группа гидроксикарбонильных соединений, входящих в состав всех живых организмов [130]. Углеводы составляют три четверти биологических веществ и примерно 60-80% калорийно­сти пищевого рациона [85]. Функции углеводов в живых организмах чрезвычайно многообразны. В растениях моносахариды являются первичными продуктами фо­тосинтеза и служат исходными соединениями для биосинтеза гликозидов и поли­сахаридов, а также других классов веществ (аминокислот, жирных кислот, фенолов и др.). Углеводы запасаются в тканях растениий в виде крахмала, животных, бак­терий и грибов в виде гликогена, создавая энергетический резерв. В виде глико­зидов в растениях и животных осуществляется транспорт различных метаболитов. Полисахариды и более сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные функции. Они способствуют поддержанию водного баланса и избирательной ионной проницаемости клеток. Особенно важна роль сложных углеводов в образовании клеточных поверхностей и мембран и придании им спе­цифических свойств [130].Термин «углеводы» возник потому, что первые идентифицированные углеводы по составу отвечали формуле С_т(Н₂0)_Л (углерод вода). Впоследствии были обна­ружены природные углеводы с другим элементным составом, но название сохрани­лось.

Углеводы принято делить на моно-, олиго- и полисахариды. Моносахариды яв­ляются простейшими сахаридами, из которых состоят молекулы олигосахаридов (от двух до 10 моносахаридных остатков) и полисахаридов (более 10 моносахаридных остатков).

Молекулы моносахаридов (моносахаров) содержат гидроксильные группы и альдегидную группу (альдозы) или кетогруппу (кетозы). Большинство моносаха­ридов содержит 5 или 6 атомов углерода. В природе свободные моносахариды, за исключением D-глюкозы (виноградного сахара) и D-фруктозы (фруктового сахара), встречаются редко. Моносахариды представляют собой сладкие белые порошки, хорошо растворимые в воде.

Молекулы олигосахаридов содержат от двух до 10 моносахаридных остатков, со­единенных гликозидными связями [130]. Практически все олигосахариды (кроме дисахаров) представляют собой трудноразделяемые смеси ди-, три-, тетрасахаридов и так далее с преобладанием одного или нескольких из них и возможным при­сутствием в смеси моно- и полисахаридов. Смеси олигосахаридов часто называют по преобладающему сахариду: галактоолигосахариды, изомальтоолигосахариды и т. п. В чистом виде из всех олигосахаридов выделяются лишь дисахариды — угле­воды, образованные остатками двух моносахаров. Наиболее известными дисахаридами являются сахароза (сахар, свекловичный сахар, тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар) и мальтоза (солодовый сахар). Дисахариды представляют собой сладкие белые порошки, хорошо растворимые в воде, остальные олигосахариды растворимы в воде хуже и образуют более вязкие растворы. Их сладость невелика и составляет, как правило, не более 20% от сладости сахарозы.

Полисахаридами называют высокомолекулярные углеводы, содержащие бо­лее 10 моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. К полиса­харидам относятся также их производные (дезоксисахара, аминосахара, уроновые кислоты). Полисахариды, в отличие от моно- и дисахаридов, не имеют сладкого вкуса. Они представляют собой гидрофильные полимеры, многие из которых об­разуют в воде вязкие коллоидные растворы (например, ксантан, крахмалы), а не­которые — прочные гели (например, агары). Эти полисахариды называются гид­роколлоидами. Они составляют большую группу пищевых добавок, выполняющих технологические функции загустителей и гелеобразователей [82, 105, 109, 118]. Не­которые полисахариды образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структу­ры, препятствующие гидратации отдельных молекул. Такие полисахариды (например, целлюлоза) нерастворимы в воде.

В присутствии кислот или ферментов полисахариды подвергаются частичному гидролизу с образованием смесей полисахаридов с меньшей молекулярной массой, олигосахаридов и моносахаридов (декстрины, глюкозные сиропы (крахмальная па­тока), мальтодекстрины и т. п.). В результате полного гидролиза полисахариды рас­щепляются до моносахаров. Полисахариды подразделяются на гомополисахариды, состоящие из одинаковых мономеров (например, крахмал), и гетерополисахариды, содержащие в своем составе разные мономеры (например, галактоманнаны).

Углеводы являются главным источником энергии для организма человека. При биологическом окислении 1 г углевода выделяется 4 ккал энергии. Углеводы играют и пластическую роль, составляя 1% от общей массы тела человека. В виде полиса­харида гликогена они содержатся в мышцах, нервной ткани, печени. Накопленным в печени гликогеном в значительной мере определяется выполнение ею барьерной (детоксицирующей) функции. Углеводные запасы человека очень ограничены. При интенсивной работе они быстро истощаются, поэтому углеводы должны поступать в организм с пищей ежедневно. Суточная потребность человека в углеводах состав­ляет 400-500 г [85].

С точки зрения пищевой ценности углеводы подразделяют на усваиваемые и неусваиваемые. Не усваиваются, главным образом, целлюлоза, гемицеллюлоза и пек­тиновые компоненты клеточных стенок растений, вследствие чего они не являются источником энергии, но выполняют другие очень важные функции в организме. К усваиваемым углеводам относятся моно- и олигосахариды, крахмал, гликоген. При поступлении в организм усваиваемые углеводы расщепляются и всасываются в пищеварительном тракте. Для усвоения глюкозы и полисахаридов, содержащих глюкозу в качестве структурной единицы, необходим вырабатываемый поджелу­дочной железой гормон инсулин. В результате усвоения любых углеводов возрастает уровень глюкозы в крови. Ее постоянное содержание — 80-100 мг/100 см³ — яв­ляется одной из наиболее важных констант в организме и жестко поддерживает­ся с помощью различных регуляторных механизмов. Скорость появления глюкозы в крови при усвоении разных углеводов отличается. Чем быстрее возрастает уровень глюкозы, тем быстрее он затем и снижается. При этом избыток глюкозы превра­щается в гликоген и в жир и откладывается в тканях. Скорость появления глюкозы в крови характеризуют «гликемическим индексом»: чем быстрее растет содержание глюкозы, тем выше значение индекса. Гликемический индекс глюкозы принят за 100%. Для сахарозы он равен 100%, для сахаридов меда — 87%, для фруктозы — 20%. Потребление углеводов с высоким гликемическим индексом является метаболиче­ской «услугой», приводящей к ожирению и диабету, поэтому в рецептуры продуктов здорового питания рекомендуется вводить углеводы с низким гликемическим ин­дексом.

Функциональные свойства углеводов определяются их молекулярной массой. Чем она выше, тем хуже растворим углевод в воде, тем более вязкие растворы (клейстеры) он образует и тем меньше его сладость.

Технологические функции моно- и олигосахаридов в пищевых продуктах за­ключаются в придании им сладкого вкуса, образовании продуктов неферментатив­ного потемнения и пищевого аромата, связывании воды и ароматических веществ. По степени гигроскопичности основные моно- и дисахариды можно расположить в следующем порядке [85]:

фруктоза >> сахароза — мальтоза (безводная) > глюкоза >> лактоза (безводная)

Гидраты сахаридов абсорбируют влагу в гораздо меньшей степени, чем безвод­ные сахара, а неочищенные сахара и сахарные сиропы — в большей степени, чем очищенные [85].

Технологические функции полисахаридов в пищевых продуктах заключаются, главным образом, в создании определенной текстуры и структуры продукта. Эти вещества обеспечивают твердость, хрупкость, плотность, вязкость, липкость, гелеобразование, ощущения во рту. От вида и содержания полисахаридов зависит, бу­дет ли продукт мягким или хрупким, набухшим или желеобразным [85]. Все рас­творимые полисахариды образуют в воде растворы различной вязкости. Растворы линейных полисахаридов, как правило, характеризуются большей вязкостью, чем растворы разветвленных полисахаридов той же молекулярной массы. При этом рас­творы (клейстеры) линейных полисахаридов более склонны к ретроградации, чем растворы разветвленных.

Самыми широко и давно используемыми в пищевой промышленности углево­дами являются крахмал и сахар. В кондитерском производстве традиционно при­меняются крахмальная патока (глюкозные сиропы) и инвертный сироп. В гораздо меньших дозировках, но в довольно большом спектре продуктов используются пи­щевые добавки полисахаридной природы (альгинаты Е400-405, агар Е406, пектины Е440, гуарЕ412идр.) [82,105,109]. В последние годы список пищевых ингредиентов углеводной природы пополнили сахаристые крахмалопродукты (мальтодекстрины и декстрины, сухие глюкозные сиропы), все шире применяются фруктоза и лакто­за, растворимые и нерастворимые пищевые волокна (инулин, олигофруктоза, изомальтоолигосахариды, клетчатка и т. п.).

1.2.1. Глюкоза

Глюкоза (от греч. Glykys — сладкий), или декстроза — моносахарид, которым особенно богат виноградный сок, поэтому ее называют виноградным сахаром. Глю­коза также содержится в большинстве фруктов и ягод, в пчелином меде. Ее остаток входит в состав многих олигосахаридов (сахарозы, лактозы и др.), полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы и др.), гликопротеинов, гликолипидов, липополисахаридов, гликозидов и производных нуклеотидов [130]. Глюкоза представляет собой единственную форму, в виде которой углеводы циркулируют в крови и ис­пользуются клетками тканей. Потребление 50-60 г глюкозы в сутки является ми­нимально необходимым количеством для нормальной работы нервной системы, а значит, всего организма в целом. Мышечная работа совершается, главным обра­зом, за счет энергии, выделяющейся при окислении глюкозы.

Глюкоза представляет собой белый порошок без запаха со сладким вкусом (60-80% от сладости сахарозы), очень хорошо растворимый в воде. Размер час­тиц — от 400 до 60 меш. Глюкоза является шестиатомным альдегидоспиртом С₆0₆Н₁₂. В водном растворе она существует в виде таутомеров (рис. 8). Декстроза бывает (моно)гидратная С₆0₆Н₁₂ • Н₂0 (молекулярная масса 198,2) и безводная (ан­гидридная) С₆0₆Н₁₂ (молекулярная масса 180,6). Моногидрат глюкозы использует­ся в пищевой промышленности чаще.

Рис. 8. Таутомерные формы глюкозы [130]

Биосинтез D-глюкозы осуществляется в живых клетках под действием фермен­тов. В промышленности глюкозу получают кислотным или ферментативным гидро­лизом картофельного или кукурузного крахмала.

Глюкоза (декстроза) широко используется в качестве носителя-наполнителя и питательного вещества в производстве БАД, продуктов диетического и лечебного питания, спортивного питания. В пищевой промышленности глюкозу используют в сахарных кондитерских изделиях и в безалкогольных напитках для модификации и усиления вкуса, в консервах — для сохранения натурального цвета, в хлебопече­нии — для ускорения брожения, придания вкуса и аромата, цвета корочке, в произ­водстве мороженого — для улучшения взбитости и замедления таяния.

1.2.2. Фруктоза

Фруктоза (фруктовый сахар, левулоза) содержится во фруктах и ягодах, пчели­ном меде. Ее остаток входит в состав многих олигосахаридов (сахарозы, раффинозы и др.) и полисахаридов (инулин и др.) [130].

Фруктоза представляет собой белый порошок без запаха со сладким вкусом (в 1,7-1,8 раза слаще сахарозы), очень хорошо растворимый в воде. Фруктоза явля­ется шестиатомным кетоспиртом С₆0₆Н₁₂ (рис. 9). Молекулярная масса равна 180,2.

Рис. 9. Структурная формула фруктозы (ᵝ-D-фруктопиранозы)

Биосинтез D-фруктозы осуществляется в живых клетках под действием фермен­тов. Промышленным способом получения фруктозы является гидролиз сахарозы.В пищевой промышленности фруктоза наиболее широко применяется в произ­водстве продуктов для больных сахарным диабетом, поскольку усваивается инсулинонезависимо. Кроме того, вкус фруктозы и изделий с ее использованием гораздо привлекательнее вкуса сорбита и ксилита — традиционных сахарозаменителей.

1.2.3. Лактоза

Лактоза — дисахарид, в различной концентрации содержащийся во всех молоч­ных продуктах, поэтому его часто называют молочным сахаром. Молекула лактозы состоит из мономеров глюкозы и галактозы, соединенных 1 → 4ᵝ-гликозидной свя­зью (рис. 10). Эта связь расщепляется под действием фермента (ᵝ-галактозидазы [130].

Рис. 10. Структурная формула лактозы

В организме человека лактоза нормализует жизнедеятельность полезной мик­рофлоры кишечника, тормозит в нем процессы брожения. Однако в мире большое количество людей (особенно взрослых) страдает непереносимостью лактозы. Это наследственная особенность организма, вызванная недостаточным количеством фермента лактазы (ᵝ-галактозидазы) в тонком кишечнике. Следствием является неспособность организма расщеплять лактозу, что приводит к расстройствам ки­шечника (вздутию живота, метеоризму, желудочным болям). Для таких людей сов­ременная промышленность производит низколактозные и безлактозные молочные продукты [181].

Лактоза представляет собой белый порошок без запаха со сладким вкусом (при­мерно 30% от сладости сахарозы), хорошо растворимый в воде: при комнатной тем­пературе в 100 см³ воды растворяется 21,6 г лактозы [7]. Значение рН 10%-х вод­ных растворов промышленных образцов лактозы может составлять 5-7 или 3,5-5,0. Размер частиц чаще всего составляет 200 меш, что примерно соответствует 75 мкм, или 80 меш, что примерно равно177 мкм. Кроме того, молочный сахар может выра­батываться мелкокристаллическим. Не менее 70% частиц такого сахара имеют раз­мер 3-4 мкм (единичные кристаллы — не более 10 мкм). Указанная лактоза исполь­зуется в качестве затравки при производстве сгущенных молочных продуктов.

В промышленности лактоза обычно вырабатывается из сладкой сыворотки кис­лотностью не более 20 °Т и с содержанием лактозы не менее 4,5%, хотя лактозу удов­летворительного качества можно получать и из творожной сыворотки. Применяют один из двух методов: 1) кристаллизацию лактозы из пересыщенных сывороточных сиропов; 2) сушку глубоко очищенной (с использованием мембранных методов) молочной сыворотки.

Фальсификация молочного сахара возможна путем его разбавления сахарозой, декстринами, мальтодекстринами, сухими глюкозными сиропами.

Основной областью промышленного использования лактозы в настоящее время является производство продуктов детского питания. Поскольку в коро­вьем молоке содержится до 4,5% лактозы, а в женском молоке — 7,5%, сухие смеси для детского питания, изготовленные на основе коровьего молока, необ­ходимо обогащать лактозой. Молочный сахар используется также в производс­тве продуктов быстрого приготовления, сгущенных молочных продуктов, хле­бобулочных, мучных и сахарных кондитерских изделий, продуктов переработ­ки мяса, продуктов глубокой заморозки, пива, других напитков. Лактоза часто применяется в качестве носителя пищевых добавок (красителей, сухих арома­тизаторов и т. п.). Молекула молочного сахара содержит глюкозный фрагмент, и для его усвоения требуется инсулин, поэтому он не может использоваться в питании больных инсулинозависимым сахарным диабетом.

В результате щелочной изомеризации лактоза превращается в лактулозу, моле­кула которой состоит из галактозы и фруктозы. Лактулоза в два раза слаще лактозы и лучше растворима в воде. Она является пребиотиком, не переваривается в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта и способствует развитию бифидобактерий [7].

1.2.4. Сахаристые крахмалопродукты

При нагревании под действием кислот или ферментов крахмальный клейстер гидролизуется [1] с образованием сахаристых крахмалопродуктов, обладающих раз­личной степенью сладости [3]. В процессе гидролиза полисахаридные молекулы амилозы и амилопектина расщепляются до полисахаридов с меньшей молекуляр­ной массой, олиго- и моносахаридов. Подобный процесс встречается в природе. Например, он протекает при выпечке хлеба, производстве кваса и пива [15]. Смеси продуктов гидролиза крахмала, имеющие разный состав, называются сахаристыми крахмалопродуктами. При кислотном гидролизе крахмала состав крахмалопродук­тов зависит от глубины прохождения процесса (рис. 11). При ферментативном гид­ролизе разные комбинации ферментных препаратов (а-амилазы, (ᵝ-амилазы, глюкозоизомеразы и др.) приводят к получению сахаристых крахмалопродуктов с раз­ным составом и свойствами (рис. 12):

Рис. 11. Изменение состава сахаристых крахмалопродуктов при кислотном гидроли­зе крахмала
в зависимости от глубины гидролиза [85] 

Рис. 12. Состав ряда сиропов — продуктов кислотно-ферментативного гидролиза кукурузного крахмала [85]

Помимо традиционных сахаристых крахмалопродуктов, в настоящее время из крахмала, комбинируя различные ферменты, производят широчайший спектр слад­ких веществ: глюкозно-фруктозные и высокофруктозные сиропы, глюкозно-мальтозные и мальтозные сиропы, олигосахариды с заданным составом и характеристи­ками: мальтоолигосахариды, изомальтоолигосахариды, мальтотетраозу, мальтопентаозу, фруктозо-концевые олигосахариды, трегалозу, эритрит [80].

Степень прохождения процесса гидролиза крахмала характеризуют таким показателем, как глюкозный эквивалент (ГЭ). Глюкозным эквивалентом на­зывается массовая доля восстанавливающих Сахаров крахмалопродукта в пе­ресчете на глюкозу и сухое вещество [3]. Глюкозный эквивалент сахаристого крахмалопродукта не равен массовой доле глюкозы. Чем выше значение ГЭ, то есть массовая доля восстанавливающих Сахаров сахаристого крахмалопродук­та, тем выше его сладость, гигроскопичность, склонность к кристаллизации и сильнее потемнение при нагреве. В то же время чем больше степень гидролиза сахаристого крахмалопродукта, тем меньше вязкость образуемых им растворов, склонность к слипанию и сильнее влияние на температуру замерзания смеси. При этом глюкозный эквивалент является недостаточно полной характерис­тикой крахмалопродукта, так как разные по составу крахмалопродукты могут иметь одинаковое значение ГЭ. Достаточно объективный показатель — состав смеси [15].

В зависимости от глубины гидролиза традиционные сахаристые крахмало­продукты подразделяются на мальтодекстрины и крахмальную патоку [3]. Исто­рически сложилось так, что крахмальную патоку, ввозимую в Россию из-за границы, называют глюкозными сиропами, а глюкозный эквивалент — декстрозным. В зависимости от значения глюкозного эквивалента крахмальную патоку (глюкозные сиропы) подразделяют на несколько групп (табл. 21).

Таблица 21.

Соответствие российской и европейской классификаций сахаристых крахмалопродуктов [3,4,123]

Мальтодекстрины

Мальтодекстрины — продукты частичной биоконверсии крахмала с глюкозным эквивалентом от 5 до 25%, полученные высушиванием очищенного гидролизата крахмала. Мальтодекстрины с глюкозным эквивалентом от 5 до 8, обладающие высокой гелеобразующей способностью, называются мальтинами [3].

Мальтодекстрины представляют собой белые порошки с нейтральным или чуть сладковатым вкусом (10-20% от сладости сахарозы), хорошо растворимые в воде с образованием мутноватых клейких растворов.

Глюкозные эквиваленты мальтодекстринов обычно находятся в пределах от 5 до 20. Наиболее популярны мальтодекстрины с ГЭ 15-20. Мальтодекстрины с низкими и высокими ГЭ имеют различные свойства (табл. 22) [136].

Мальтодекстрины не следует путать с декстринами (пищевая добавка Е1400), также являющимися продуктами частичного расщепления крахмала. Разница меж­ду мальтодекстринами и декстринами заключается в способах их производства, свойствах и применении. Если при получении мальтодекстринов кислотному или ферментативному гидролизу подвергают крахмальную суспензию, то декстрины, получают в результате нагревания сухого или увлажненного крахмала, иногда в при­ сутствии кислоты [105]. Мальтодекстрины дают отрицательный результат в йодном тесте, а декстрины окрашивают йодную бумажку. Те и другие хорошо растворимы в воде. Основной областью применения декстринов является производство клеев и клеящих веществ, в том числе пищевых. В пищевой промышленности декстри­ны применяют в качестве носителей сухих смесей, вкусоароматических добавок, их растворы обычно используют как глянцеватели (покрытия) карамели, драже, жева­тельной резинки и т. д.

Таблица 22.

Свойства мальтодекстринов с различным ГЭ

Мальтодекстрины используются в пищевой промышленности в целях обеспе­чения энергетической ценности продуктов, формирования их однородной струк­туры, улучшения растворимости и снижения гигроскопичности сухих смесей, для упрощения добавления минорных ингредиентов (красителей, витаминов и т. д.). Особенности свойств мальтодекстринов с различными значениями ГЭ определяют специфические области их использования. Мальтодекстрины с ГЭ 5-10 использу­ются в качестве нейтральных носителей для смесей специй, порошкообразных кра­сителей, вкусоароматических добавок, подсластителей, комплексных добавок для мясо- и рыбопереработки. В прессованных изделиях (бульонные кубики) мальто­декстрины с ГЭ 5-10 используются в качестве связующего. Они способствуют сцеп­лению компонентов при прессовании и хранении. В мороженом мальтодекстрины могут выполнять роль заменителей жира. С помощью мальтодекстринов с ГЭ 15-20 повышают содержание сухих веществ в замороженных полуфабрикатах, соусах и вареных мясных фаршевых изделиях. В результате ускоряется процесс разморажи­вания полуфабрикатов и снижаются потери мясных изделий при термообработке [15,136,149].

В сухих смесях для детского питания мальтодекстрины с ГЭ 18-20 являются идеальными углеводами с удобным размером молекул. Молекулы крахмала слиш­ком велики и трудны для всасывания, простых Сахаров — слишком малы, кроме того, сахара могут спровоцировать расстройство кишечника у грудных детей. Сла­бый сладкий вкус мальтодекстринов не вызывает у детей привыкания к сладкому. Мальтодекстрины обеспечивают хорошую пищевую основу для диетических и ле­чебных продуктов, биологически активных добавок.

Глюкозные сиропы (крахмальная патока)

Глюкозным сиропом (крахмальной патокой, сиропом глюкозы) называется очи­щенный и концентрированный сироп различного углеводного состава, полученный при частичном гидролизе крахмала [3]. Содержание сухих веществ в глюкозных си­ропах обычно составляет 70-78%. Они представляют собой высоковязкие прозрач­ные жидкости от бесцветного до бледно-желтого цвета разных оттенков [4].

Сушкой глюкозных сиропов (крахмальной патоки) получают сухие глюкозные сиропы (сухую крахмальную патоку), которые представляют собой сыпучие белые порошки, хорошо растворимые в воде. Сладость глюкозных сиропов составляет от 60 до 90% от сладости сахарозы. Она напрямую зависит от значения ГЭ: чем он выше, тем слаще сироп.

Крахмальную патоку в РФ давно используют в производстве подавляющего большинства сахарных кондитерских изделий для частичной замены сахара. Это приводит к улучшению их вкуса и увеличению срока годности благодаря замедле­нию кристаллизации сахарозы при хранении. Патока используется в производстве конфетных масс (помадных, желейных, молочных, кремово-сбивных, марципа­новых, ликерных), халвы, ириса, мармеладо-пастильных изделий. В производстве драже патока используется в составе поливочного сиропа.

Глюкозные сиропы применяются в производстве мороженого и замороженных продуктов, в безалкогольных напитках (для модификации вкуса), в хлебопечении (для придания вкуса и аромата, получения золотистой корочки), в молочной про­мышленности (для подслащивания йогуртов и других сладких молочных продуктов). Сухие глюкозные сиропы могут заменять глюкозу в рецептурах колбасных изделий, а также выполнять роль носителя-наполнителя в производстве БАД, продуктов ди­етического (но не диабетического) и лечебного питания, спортивного питания.

Глюкозно-фруктозные сиропы

При воздействии на глюкозные сиропы с высоким содержанием глюкозы фер­ментом глюкозоизомеразой получают глюкозно-фруктозные сиропы [3, 85]. Глюкозно-фруктозным называется сироп, полученный изомеризацией части D-глюкозы в D-фруктозу с содержанием фруктозы не менее 20% и не более 50% от мас­совой доли сухого вещества. Глюкозно-фруктозный сироп, содержащий не менее 50% фруктозы в массовой доле сухого вещества, называется высокофруктозным [3]. Современная технология изготовления глюкозно-фруктозных сиропов при помощи биокатализа может быть реализована также на базе инверсии сахарозы и гидролиза инулинсодержащего сырья. Последний способ позволяет получать глюкозно-фрук­тозные сиропы с содержанием фруктозы до 97% [80].

В традиционных рецептурах мучных кондитерских изделий часто встречается инвертный сироп. Обычно его варят непосредственно на предприятии, что сопря­жено с рядом сложностей. В среднем инвертный сироп имеет следующий состав: вода — 19-20%, сахароза — 1-3%, редуцирующие сахара (смесь глюкозы и фрук­тозы) — 76-78% [44]. Точный химический состав инвертного сиропа непостоянен и зависит от условий инверсии: качества сахара, природы и концентрации катали­затора, рН среды, температуры, продолжительности реакции и других факторов. Кроме того, уже в процессе получения инвертный сироп начинает разлагаться [43, 44]. Поэтому он часто обладает повышенной цветностью за счет распада глюкозы и фруктозы и образования красящих веществ. Эти процессы протекают тем интенсив­нее, чем сильнее нарушаются оптимальные условия гидролиза сахарозы, реакции нейтрализации катализатора, режимы охлаждения и хранения инвертного сиропа.

Традиционный инвертный сироп с успехом можно заменять товарными глюкозно-фруктозными сиропами, стандартизованными по составу, цвету и органолептическим показателям. Ближе всего к инвертному сиропу глюкозно-фруктозные си­ропы с близким процентным содержанием фруктозы и глюкозы (табл. 23). Благода­ря высокому содержанию фруктозы глюкозно-фруктозные сиропы намного слаще сахарозы, они меньше склонны к кристаллизации, хорошо растворимы в воде. Глю­козно-фруктозные сиропы с содержанием фруктозы 55-60% наиболее устойчивы к самопроизвольной кристаллизации даже при 10-15 °С, и их можно хранить без подогрева [80].

Таблица 23.

Зависимость сладости популярных глюкозно-фруктозных сиропов от их состава [85]

Мальтозные сиропы

Мальтозные сиропы представляют собой продукты гидролиза крахмала под действием ферментов солода а- и ᵝ-амилазы [80]. Под действием тех же ферментов получают и мальтоолигосахариды (см. разд. «Пищевые волокна»)^[2], называемые в России мальтозной патокой (крахмальной патокой), в углеводном составе которой преобладают мальтоза и мальтотриоза [3]. Применение деразветвляющих фермен­тов пуллуланазы или изоамилазы позволяет значительно увеличить в патоке со­держание мальтозы и снизить содержание мальтоолигосахаридов с более высокой степенью полимеризации. Массовая доля мальтозы в мальтозных сиропах может превышать 65%, тогда по российской классификации они называются высокомальтозной патокой [3, 4].

Молекула мальтозы (солодового сахара) состоит из двух остатков глюкозы, со­единенных 1 → 4а-гликозидной связью (рис. 13).

Рис. 13. Структурная формула мальтозы

Мальтоза представляет собой белый порошок без запаха со сладким вкусом (примерно 30% от сладости сахарозы), хорошо растворимый в воде, поэтому мальтозные сиропы являются очень популярными ее товарными формами, поскольку даже содержащий 80% сухих веществ такой сироп не кристаллизуется при обычных условиях хранения.

Мальтоза и мальтозные сиропы лучше других Сахаров предотвращают ретроградацию крахмала, позволяя замедлять черствение хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, улучшают структуру и внешний вид выпечки, стабилизи­руют натуральный цвет фруктов и могут препятствовать кристаллизации сахарозы [80]. Кроме того, мальтоза и мальтозные сиропы рекомендуются для производства продуктов детского питания, так как они менее аллергенны, чем глюкоза и саха­роза [80].

1.2.5. Пищевые волокна

Термин «пищевые волокна» имеет достаточно много определений, но наибо­лее кратким и достаточно популярным является их определение как суммы рас­тительных полисахаридов и лигнина, не перевариваемых эндогенными секретами желудочно-кишечного тракта человека [8, 29]. Большинство пищевых волокон не расщепляется в верхнем отделе пищеварительного тракта и поступает в толстый кишечник практически в неизменном виде, улучшая его моторную функцию. Пребиотические пищевые волокна, кроме того, селективно расщепляются бифидобактериями, обеспечивая их активный рост и одновременно подавляя нежелательную и патогенную микрофлору [83].

Длительное время пищевые волокна считали бесполезными веществами в про­дуктах питания, от которых стремились избавиться, чтобы повысить пищевую цен­ность продуктов. В настоящее время многочисленные исследования убедительно доказали важную роль балластных веществ в процессах пищеварения и обмена ве­ществ, а пищевые волокна во всем мире признаны необходимыми компонентами рациона питания человека. В рационе современного человека содержится в три раза меньше пищевых волокон, чем рекомендуется специалистами по питанию. В среднем городской житель получает сейчас в составе рациона от 10 до 15 г пище­вых волокон, в то время как рекомендуемая норма составляет не менее 20 г, а в ряде стран — 30-35 г [29]. Недостаток пищевых волокон в рационе питания человекаможно восполнить введением в рецептуры пищевых продуктов препаратов пище­вых волокон [76]. Реальное обогащение продуктов пищевыми волокнами обеспечи­вается добавлением их в количестве не менее 3-6% от массы продукта [48].

Пищевые волокна в промышленных масштабах выделяют из растительных источников, богатых волокнами: семян злаков, бобовых, овощей, корнеплодов, фруктов, ягод, цитрусовых, орехов, иногда из древесины, стеблей злаков, трав. При этом используют либо экстракцию из нейтральной, кислой или щелочной среды, либо удаление низкомолекулярных веществ обработкой ферментами, перекисями и т. д. [48].

Пищевые волокна принято делить на растворимые и нерастворимые. Если не­растворимые волокна (клетчатка) оказывают благотворное действие, в основном, на моторику кишечника и функционирование желудочно-кишечного тракта в це­лом, то действие растворимых волокон более широко и включает важнейшие меха­низмы, связанные с профилактикой алиментарно-зависимых заболеваний [29].

Помимо положительного влияния на организм человека пищевые волокна вы­полняют в продуктах важные технологические функции: связывают воду, влияют на реологические и органолептические свойства продуктов, корректируют их тексту­ру и придают необходимую структуру [29]. Среди растворимых пищевых волокон наиболее популярны пищевые добавки полисахаридной природы (гидроколлои­ды): гуаровая Е412, ксантановая Е415 и другие камеди, пектины Е440, альгинаты Е401-405 и т. д. Но эти добавки вводят в состав продуктов в очень низких дози­ровках, которые не позволяют им проявить свойства пищевых волокон. Добавка их в продукт в дозировке, необходимой для реального обогащения его пищевыми волокнами, приведет к недопустимому изменению реологических свойств такого продукта. Поэтому гидроколлоиды больше известны как загустители, стабилизато­ры и гелеобразователи и не являются предметом рассмотрения в данной книге.

Растворимые волокна

Кроме пищевых добавок полисахаридной природы к растворимым волокнам относятся некоторые олигосахариды, получаемые из различных природных источ­ников [80, 112, 118, 134]. В России эти ингредиенты в настоящее время популярны значительно меньше, чем в Европе и США, но стремление к здоровому питанию и потреблению функциональных пищевых продуктов, в том числе содержащих оли­госахариды, постепенно распространяется и в нашей стране.

Олигосахариды не расщепляются в верхнем отделе пищеварительного тракта и поступают в толстый кишечник практически в неизменном виде, улучшая его мо­торику [83, 118, 134, 135]. Они являются пребиотиками, обеспечивая бифидобактериям активный рост и подавляя нежелательную и патогенную микрофлору ки­шечника, в результате чего укрепляется иммунитет. Олигосахариды улучшают пе­ристальтику кишечника, способствуют улучшению липидного обмена, снижению содержания триглицеридов и липопротеинов низкой плотности (способствующих повышению уровня холестерина) в крови, замедляют образование в печени жи­ровых отложений, улучшают действие ферментов печени, снижают риск заболе­вания раком кишечника, улучшают усвоение кальция [83, 134, 135]. Растворимые пищевые волокна характеризуются слабым сладковатым вкусом и усваиваются с выделением 1-2 ккал/г [83, 135]. Благодаря биологически активным свойствам все олигосахариды могут использоваться для обогащения разнообразных продуктов питания растворимыми пищевыми волокнами и придания им полезных свойств. Кроме того, ряд олигосахаридов может влиять на физико-химические и органолептические свойства продукта.

Фруктоолигосахариды

Фруктоолигосахариды (ФОС) можно рассматривать как производные саха­розы, к фруктозной части которой присоединены фруктофуранозные остатки (рис. 14). Из сахарозы под действием ᵝ -фруктофуранозидазы или фруктозилтрансферазы получают смесь ФОС, основными компонентами которой явля­ются 1-кестоза (GF₂), нистоза (GF₃) и 1F-фруктофуранонистоза (GF₄), но го­раздо более известными ФОС являются инулин и олигофруктоза [80].

Рис. 14. Молекулы фруктоолигосахаридов [83-85, 118]

Инулин представляет собой сыпучий легкодиспергируемый порошок белого цвета без запаха с нейтральным вкусом [118]. Инулин обладает низкой раствори­мостью в воде (нативный — не более 10%, длинноцепочечный — не более 1% при комнатной температуре) [83, 118]. При комнатной температуре растворы инулина концентрацией до 7,5% абсолютно прозрачны [118]. При увеличении концентрации более 15% дисперсии инулина в воде превращаются в белый непрозрачный кремообразный гель [83, 118]. Прочность геля увеличивается с повышением концентра­ции инулина и его средней молекулярной массы (рис. 15). Применение сдвигового воздействия (например, перемешивания в процессе охлаждения) и затравки также увеличивает прочность геля [118]. Инулиновый гель имеет нейтральный вкус и ко­роткую текстуру, очень близкую к текстуре жира, и может заменять его во многих пищевых продуктах с достаточным количеством водной фазы без ухудшения их вку­са и текстуры: в йогуртах, майонезах, спредах, ореховых пастах, жировых начинках [83,91, 118].

Рис. 15. Зависимость прочности инулиновых гелей от концентрации инулина в воде:
1 — для стандартного инулина; 2 — для длинноцепочечного инулина [118]

Инулин является запасным углеводом более чем в 36 тысячах растений [83, 91, 118]. В большом количестве он содержится в топинамбуре, клубнях георгина, корнях одуванчика, корневищах цикория и т.д. [83, 85]. Инулин экстрагируют из растительных источников (корневищ цикория, топинамбура и т. п.) горячей водой. Экстракт подвергают многоступенчатой очистке, а затем — распылительной сушке [83, 118]. Удалением низкомолекулярной фракции из нативного инулина получают длинноцепочечный инулин [83]. Инулин, особенно длинноцепочечный, оказывает существенное влияние на реологические свойства растворов и гелей гидроколлои­дов (гуаровой, ксантановой камедей, каррагинанов, альгинатов, пектинов и т. п.). Добавление инулина может изменить вязкость их водных растворов, свойства теку­чести, структуру, прочность гелей, их склонность к синерезису [118]. Низкомолеку­лярная фракция инулина представляет собой олигофруктозу, но в промышленности ее получают не выделением из инулина, а его частичным ферментативным гидро­лизом [83, 84].

Олигофруктоза представляет собой сыпучий порошок белого цвета без запаха со слабым сладким вкусом (30% от сладости сахарозы) [83]. Профиль ее сладости очень близок к профилю сладости сахарозы. Она не оставляет во рту ощущения сухости или песчанистости. Олигофруктоза способна маскировать неприятное по­слевкусие интенсивных подсластителей и резкую сладость фруктозы, смягчать вкус продуктов, изготовленных с подсластителями, максимально приближая его к вкусу продуктов с сахарозой [83, 84]. Олигофруктоза хорошо растворима в воде, при этом она не кристаллизуется и не выпадает в осадок [83].

Галактоолигосахариды

По данным Международной молочной федерации, второе место в мире по объемам производства неперевариваемых олигосахаридов с пребиотическими свойствами занимают галактоолигосахариды (ГОС) [134]. Молекулы галактоолигосахаридов состоят из цепочки звеньев галактозы и одного конечного звена глюкозы. В молекулах короткоцепочечных ГОС количество галактозных звеньев составляет от 1 до 6 [117,135].

Галактоолигосахариды получают гидролизом растворов молочного сахара раз­личного качества и лактозосодержащего молочного сырья [134]. Гидролиз проводят под действием минеральных кислот (соляной или серной) или фермента ᵝ-D-галактозидазы [112, 134]. В последнем случае используют как препараты ᵝ-D-галактозидазы, так и культуры микроорганизмов, продуцирующих фермент [134]. Фермента­тивным гидролизом лактозосодержащего сырья получают также глюкозно-галактозные сиропы, лактосахарозу и тагатозу [80,112].

Экспериментально доказано, что галактоолигосахариды значительно более устойчивы к воздействию высоких температур и кислотности среды, чем фруктоолигосахариды [117, 134, 135]. Следовательно, их можно применять в производстве продуктов с низкими значениями рН (фруктовых соков, кисломолочных продуктов и т. п.) и подвергаемых высокотемпературной обработке (кондитерские изделия) [134].

Мальтоолигосахариды и изомальтоолигосахариды

Биоконверсией крахмала под действием ферментов солода получают изомальто­олигосахариды (ИМО) и мальтоолигосахариды. Они представляют собой смеси моно- и олигосахаридов заданного состава, который зависит от исходного крахмала и условий гидролиза. Моносахариды представлены глюкозой, дисахариды — маль­тозой и изомальтозой, трисахариды — мальтотриозой, паннозой и изомальтотриозой. В углеводном составе мальтоолигосахаридов преобладают мальтоза и мальтотриоза, ИМО — изомальтоза и изомальтотриоза. Мальтоолигосахариды в России называются мальтозной патокой [3]. Изомальтоолигосахариды и мальтоолигосаха­риды менее сладкие, чем сахароза, и могут рассматриваться как низкокалорийные сахарозаменители.

Товарные формы ИМО бывают с низким содержанием глюкозы (до 5%) и с вы­соким содержанием (до 30%). Оба варианта предлагаются на рынке в двух товарных формах: порошок (влажность ˂ 5%) и сироп (> 75% сухих веществ). Содержание олигосахаридов с числом атомов углерода от 4 до 10 составляет 30-45%. Сред­няя молекулярная масса ИМО примерно равна 700-1000.

Изомальтоолигосахариды могут использоваться в производстве безалкоголь­ных напитков, пива, вин, мягкой и твердой карамели, шоколада, конфет, печенья, кексов, хлебобулочных изделий, замороженных продуктов. В качестве многофунк­циональной биологически активной добавки мальтоолигосахариды рекомендуется применять в производстве продуктов детского питания, сахарных кондитерских из­делий, напитков и мороженого, улучшая их органолептические свойства и пищевую ценность. Если содержание глюкозы в ИМО низкое, они могут использоваться в производстве низкокалорийных и диабетических продуктов питания и напитков.

Полидекстроза

Полидекстроза (полиглюкоза, Е1200) относится к пищевым добавкам [31, 105]. Она является полисахаридом, но не оказывает такого сильного влияния на струк­туру и текстуру пищевых продуктов, как другие пищевые добавки полисахаридной природы (камеди, агары и т. д.). В связи с этим полидекстроза может применяться для замены жира и/или сахара или же для обогащения продуктов питания пищевы­ми волокнами.

Молекула полидекстрозы образуется в результате конденсации глюкозы с очень высокой степенью разветвления, обусловленной наличием в молекуле всех видов гликозидных связей (рис. 16). Молекулярная масса составляет от 1000 до 5000, иног­да — до 18 000 [105]. Полидекстроза представляет собой хорошо растворимый в воде порошок от белого до желтоватого цвета без запаха со сладковатым вкусом [105].

Рис. 16. Молекула полидекстрозы [140, 141]

Полидекстроза не расщепляется ферментами пищеварительной системы и не подвержена даже кислотному гидролизу. Она утилизируется в толстом кишечнике с образованием короткоцепочечных жирных кислот, при усвоении которых выде­ляется 1-2 ккал/г. Полидекстроза проявляет бифидогенные свойства и способству­ет вытеснению условно-патогенных микроорганизмов, снижает уровень холестерина в крови и постпищевую гликемию. Порог ее переносимости довольно высок (90 г/сут), а свойства пребиотика проявляются уже при дозировке 4 г/сут. Сочетание этих характеристик обеспечивает безопасное и эффективное использование данно­го пребиотика в пищевых продуктах [140, 141].

Полидекстроза относится к так называемым пребиотикам нового поколения. Она усваивается медленно и во всех отделах толстого кишечника, за счет чего в нем подавляются процессы гниения и создаются условия, неблагоприятные для разви­тия токсикогенной микрофлоры. Медленный тип утилизации полидекстрозы обус­ловливает также доминирование в сумме образующихся короткоцепочечных жир­ных кислот не молочной, а масляной кислоты, обладающей наиболее благоприят­ными физиологическими свойствами, в том числе антиканцерогенными [140,141].

В пищевой промышленности полидекстроза используется не только для обога­щения продуктов питания, но и может заменять жир или сахар в производстве мо­лочных продуктов, мороженого, мучных кондитерских изделий, улучшать структуру мороженого и замороженных продуктов. Кроме того, полидекстроза может входить в состав смесевых интенсивных подсластителей [140].

Нерастворимые волокна (клетчатка)

Нерастворимые пищевые волокна (клетчатку) получают термомеханическим способом из разных источников: колосистой части пшеницы, яблочного или со­евого шрота, жома цитрусовых, клеточных стенок сахарной свеклы и т. д. [29,92,93, 165,171,172]. Препараты нерастворимых пищевых волокон состоят, в основном, из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина [48]. В зависимости от источника, способа выделения и очистки содержание и соотношение этих веществ в разных товарных формах волокон могут быть различными. Кроме того, препараты нерастворимых пищевых волокон часто содержат пектиновые вещества [48, 76, 92].

Клетчатка представляет собой порошок от белого до коричневого цвета с ней­тральным вкусом и запахом или с привкусом сырья (яблок, цитрусовых и т. д.). Основные технологические функции нерастворимых пищевых волокон являются следствием их высокой влаго- и жиросвязывающей способности (табл. 24). Бла­годаря этим свойствам нерастворимые пищевые волокна в производстве мясных, рыбных, хлебобулочных, мучных кондитерских изделий увеличивают выход про­дукции, стабилизируют реологические свойства фарша и теста, улучшая качество изделий, препятствуют потерям при термообработке и размораживании, сохране­нию структуры в циклах замораживания-оттаивания.

Таблица 24.

Показатели функционально-технологических свойств препаратов нерастворимых пищевых волокон [76]

 

*Каталитическое влияние серной кислоты на осахаривание крахмального клейстера впервые было обнаружено в 1811 г. русским ученым К.С. Кирхгофом [130].

[2] См. с. 59-60.