2018-03-09
558Тема 5ВЕЩЕСТВА, РЕГУЛИРУЮЩИЕ КОНСИСТЕНЦИЮ
Эмульгаторы. Физические основы создания эмульсии.
Классификация веществ, изменяющих структуру и физико-химические свойства пищевых продуктов (загустители, гелеобразователи, стабилизаторы, эмульгаторы, пенообразователи, разрыхлители).
Классификация загустителей и гелеобразователей: вещества полисахаридной природы (модифицированные крахмалы, целлюлоза и ее производные, пектины, камеди); полисахариды морских растений (агар-агар, агароид, агаропектин, каррагинан, фурцеллеран, альгиновая кислота и ее соли), гелеобразователи белковой природы (желатин). Их свойства и функции. Механизм растворения. Применение загустителей и гелеобразователей в пищевых технологиях.
Классификация, свойства, особенности строения, функции, поверхностно-активных веществ. Основные группы пищевых ПАВ (производные одноатомных и многоатомных спиртов, моно-и дисахаридов). Технологические
Функции эмульгаторов и возможность использования в пищевых системах (фосфолипиды (лецитин), эфиры полицлицерина, эфиры сахарозы, эфиры сорбита). Свойства и функции стабилизаторов (фосфаты, экстракт мыльного корня). Свойства и функции пенообразователей. Свойства и функции регуляторов рН пищевых систем.
Использование стабилизационных систем для производства продуктов питания животного происхождения.
Гидроколлоиды, пектин. Создание структуры (крахмалы). Модифицированные крахмалы. Агар-агар. Полисахариды микробиологического происхождения. Ксантан. Стабилизационные системы для производства колбас, сосисок, паштетов. Создание новых видов продуктов из сырья животного происхождения и безотходных технологий их производства.
К этой группе пищевых добавок относят: эмульгаторы, пенообразователи, загустители, гелеобразователи, стабилизаторы, наполнители.
Эмульгаторы
Эмульгаторы добавляются в пищевые продукты с целью создания и стабилизации эмульсий и других пищевых дисперсных систем. Действие эмульгаторов многостороннее.
Они отвечают за взаимное распределение двух несмешивающихся фаз, за консистенцию пищевого продукта, его пластические свойства, вязкость и ощущение «наполненности» во рту.
Эмульгаторы, создающие условия для равномерной диффузии газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты, носят название пенообразователей.
Эмульгаторы, добавляемые в жидкие взбитые продукты для предотвращения оседания пены, называются стабилизаторами пены.
Впервые в качестве эмульгаторов стали использовать камеди, сапонины, лецитин и другие натуральные вещества. В настоящее время список эмульгаторов довольно расширился, главным образом, за счет синтезированных препаратов. Перечень разрешенных к применению в РФ эмульгаторов представлен в Приложении 1к СанПиН 2.3.2.1293-03.
Эмульгаторы обладают поверхностно-активными свойствами: концентрируясь на поверхности раздела несмешивающихся фаз, они могут снижать межфазное поверхностное натяжение. Тем самым термины «эмульгатор» и «поверхностно-активное вещество» (ПАВ) в применении к пищевым ингредиентам можно считать синонимами.
Общие сведения
Пищевые дисперсные системы (дисперсии) представляют собой гетерогенные системы из двух или более несмешивающихся фаз с развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионнуюсреду,по объему которой распределена дисперсная фаза в виде мелких твердых частиц, капель или пузырьков. Дисперсные системы с частицами крупнее 10-4 см обычно называют грубодисперсными, с частицами от 10-5 до 10-7 см - высокодисперсными, или коллоидными.
Системы с газовойдисперсионнойсредой называют аэрозолями и аэрогелями, с жидкой - эмульсиями исуспензиями, системы с газовой дисперсной фазой - пенами.
В пищевой промышленности чаще всего встречаются эмульсии, состоящие из воды и масла: прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде» - М/В), и обратные, или инвертные (типа «вода в масле» - В/М). Типичный пример прямой пищевой эмульсии - майонез, обратной - маргарин. Изменение состава эмульсии либо внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную, или наоборот.
При приготовлении эмульсий сталкиваются с проблемой необходимости обеспечения очень малых размеров масляных шариков (2,5 микрона). Это необходимо для того, чтобы воздействию эмульгатора была доступна максимальная поверхность, что позволит обеспечить полноту соединения.
Пены также весьма распространены среди пищевых продуктов. Пена представляет собой тонкую дисперсию воздуха в жидкости или твердом теле. Чтобы пена образовалась и могла существовать, необходимо присутствие в системе поверхностно-активных веществ - пенообразователей. Эти же вещества чаще всего выполняют и роль стабилизаторов пены. Как и другие коллоидные системы, пены термодинамически нестабильны. Газ и жидкость, из которых они состоят, стремятся образовать два слоя с минимальной поверхностью раздела фаз. Поэтому пены в готовых пищевых продуктах стабилизируют формированием мельчайших кристаллов сахара (нуга), фиксируют путем термообработки (подсушивание зефира, выпекание бисквита, закаливание мороженого) и добавкой стабилизаторов пены.
Пищевые эмульгаторы, пенообразователи и стабилизаторы пены представляют собой органические соединения, обладающие поверхностно-активными свойствами. Их молекулы имеют дифильное строение, то есть содержат лиофильные и лиофобные (обычно гидрофильные и гидрофобные) атомные группы. Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные) при достаточно высокой молекулярной массе способствуют растворению ПАВ в неполярных средах. На границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы - в сторону полярной (обычно водной) фазы, гидрофобные - в сторону неполярной (газовой или масляной) фазы. Таким образом формируется межфазный пограничный слой, благодаря которому снижается поверхностное натяжение и становится возможным или облегчается образование эмульсий.
Действие эмульгаторов на этом не заканчивается. Благодаря образованию пространственных и электрических барьеров они дополнительно стабилизируют эмульсии, то есть предотвращают повторное слипание уже сформировавшихся частичек дисперсной фазы и повторное расслоение. Пенообразователи и стабилизаторы пены преимущественно располагаются на поверхности пузырьков воздуха, образуя там прочную пленку, которая усиливает сопротивляемость пузырьков слипанию. В жиросодержащих пенных массах, например в мороженом, эмульгаторы располагаются на поверхности жировых шариков. Они обеспечивают лучшее распределение жира и одновременно снижают антагонизм жиров и белков благодаря «гидрофилизации» поверхности жира. Кроме того, они способствуют необходимой частичной агломерации жировых шариков (де-эмульгированию).
Основные физико-химические и технологические свойства ПАВ определяются так называемым гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ) их молекул.
ГЛБ отражает соотношение молекулярных масс гидрофильных и липофильных групп. Величина ГЛБ может иметь значение от 1 до 20 (эмпирическая шкала Гриффита). Эмульгаторы, имеющие ГЛБ < 10, преимущественно липофильны, а имеющие ГЛБ > 10 - преимущественно гидрофильны. Чем больше ГЛБ, тем ярче проявляется способность молекулы ПАВ к образованию и стабилизации прямых эмульсий (М/В), чем меньше ГЛБ - тем ярче проявляется способность к образованию и стабилизации обратных эмульсий (В/М). Эмульгаторы, характеризующиеся величиной ГЛБ от 7 до 9, могут применяться в качестве смачивателей (смачивающих агентов), характеризующиеся величиной ГЛБ от 15 до 18 - в качестве солюбилизаторов. Гидрофильно-липофильный баланс - величина аддитивная (суммируется), то есть ГЛБ смеси эмульгаторов можно вычислить, сложив ГЛБ компонентов пропорционально их содержанию в смеси.
Эмульгатор (или смесь эмульгаторов) ускоряет образование и стабилизирует тот тип эмульсии, в дисперсионной среде которой он лучше растворим.
Например, маргарин представляет собой эмульсию типа «вода в масле», поэтому для его получения применяют эмульгаторы с величиной ГЛБ 3…6.
Майонез представляет собой эмульсию «масло в воде», и для него используют эмульгаторы, имеющие ГЛБ 8...18.
В качестве первых пищевых эмульгаторов использовались натуральные вещества. Типичными и старейшими эмульгаторами являются белок куриного яйца, природный лецитин, сапонины (например, отвар мыльного корня). Некоторые из них сохранили свою популярность и сегодня.
Более широко в промышленности используются синтетические эмульгаторы, или продукты химической модификации природных веществ, промышленное производство которых начало развиваться в 20-е годы 20 века. Целью химической модификации натуральных эмульгаторов является изменение их гидрофильно-липофильного баланса, например, ГЛБ лецитинов можно менять от 2 до 10. Соответственно меняется и их поведение в пищевых системах. Поскольку ГЛБ является величиной аддитивной, смешиванием нескольких эмульгаторов можно получать эмульгирующие системы, поведение которых сильно отличается от поведения компонентов. Например, гидролизованные лецитины (ГЛБ 8) в смесях с другими эмульгаторами могут иметь величину ГЛБ 12.
Величина ГЛБ может зависеть от рН среды: например, в нейтральной и щелочной среде ГЛБ аммонийных солей фосфатидиловой кислоты (Е442) заметно выше, чем в кислой.
Наиболее популярными пищевыми эмульгаторами являются моно-и
диглицериды жирных кислот (Е471), эфиры глицерина, жирных и органических кислот (Е472), лецитины, фосфатиды (Е322), аммонийные соли фосфатидиловой кислоты (Е442), полисорбаты, Твины (Е432...Е436), эфиры сорбитана, СПЭНЫ (Е491…Е496), эфиры полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (Е476), эфиры сахарозы и жирных кислот (Е473), стеароил-лактаты натрия (Е481), стеароиллактаты кальция (Е482).
Применение эмульгаторов
Способность маргарина намазываться, пластичность теста и жевательной резинки, взбитость мороженого определяются диспергирующим действием эмульгаторов. Взаимодействие эмульгаторов с белками муки укрепляет клейковину, что в производстве хлебобулочных изделий приводит к увеличению удельного объема, улучшению пористости, структуры мякиша, замедлению черствения. В маргарине стабилизирующее действие эмульгаторов на поверхность раздела фаз и влияние на процесс кристаллизации жира определяет срок годности, разбрызгиваемость при нагревании и органолептические свойства. В производстве шоколада, шоколадных глазурей и т.п. добавка эмульгатора снижает вязкость шоколадных масс, улучшает их текучесть за счет влияния на кристаллизацию какао-масла. Добавка эмульгаторов в сухое молоко, сухие сливки, супы и т.п. позволяет уменьшить размер жировых шариков и их распределение, что ускоряет и облегчает разведение сухих продуктов в воде. Эмульгаторы применяют для равномерного распределения нерастворимых в воде ароматизаторов, эфирных масел, экстрактов пряностей в напитках и пищевых продуктах.
Лецитины (Е322) являются классическими «природными» эмульгаторами и антиокислителями в яйце, сливках и сливочном масле. В количестве 2...10г/кг лецитины могут выполнять все функции эмульгаторов, описанные выше. Малая термостойкость (покоричневение) и склонность к гидратации (образование мути) ограничивают возможности применения «нативного» (немодифицированного) лецитина.
Лецитины - относятся к группе жироподобных фосфорсодержащих веществ, называемых фосфатидами. Лецитины являются смешанными глицеридами жировых кислот (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой) и фосфорной кислоты, причем из трех гидроксилов фосфорной кислоты один образует эфир глицерина, а второй — сложный эфир с гидроксилом холина (или моноэтаноламина). Таким образом, предполагаемая формула строения лецитинов имеет вид: 
В природе лецитины всегда встречаются в виде смеси нескольких соединений этого класса. Из куриного желтка можно выделить около 9,5% лецитинов.
При модификации «нативного» лецитина расширяется спектр его применения. Так, например, введение ацетогрупп повышает термостойкость лецитина; сложные эфиры лимонной и молочной кислот изменяют его эмульгирующую силу и повышают способность к растеканию и комплексообразованию (антиокислительное действие).
Добавка 0,5 % дистиллированных моноглицеридов к тесту обеспечивает не только улучшение свойств теста и усиление клейковины, но и улучшение качества готового хлеба, продление его свежести. В сдобных изделиях добавка моноглицеридов позволяет экономить жиры.
В жирах, маргаринах, майонезах, кремах добавка 0,5...5 % моноглицерида (предварительно растворенного при подогревании) используется для более легкого и равномерного эмульгирования водной фазы, сохранения стабильной эмульсии при неблагоприятных условиях хранения, устранения «сального» привкуса, облегчения дальнейшей переработки, особенно сбиванием в пенистые продукты.
В жировых глазурях и других покрытиях моноглицерид может замедлить отделение жиров, уменьшить липкость, облегчить взбиваемость.
Практически единственной областью применения фосфатидов аммония (Е442) является шоколадное производство. Привлекательность использования именно этих эмульгаторов в производстве шоколада и глазурей заключается в том, что снижение вязкости происходит даже при случайной передозировке фосфатидов выше 1 %.
Полисорбаты используются в количестве нескольких граммов на килограмм. Основные области их использования: создание тонких дисперсий эфирных масел и жирорастворимых ароматизаторов в водных «псевдорастворах»; производство маргаринов, жиров для выпечки и жарения, мороженого, сливок для кофе, кексов и т.п.
Эфиры сахарозы и жирных кислот (Е473) и сахароглицериды (Е474) состоят из обычных пищевых продуктов - сахара и жира или жирных кислот - и были бы идеальными пищевыми эмульгаторами, если бы не два недостатка. Во-первых, их производство очень сложное, необходима дорогостоящая очистка от побочных продуктов, катализаторов и растворителей, что сильно удорожает продукт. Во-вторых, эфиры сахарозы очень трудно растворимы, их переработка требует использования растворителей.
Раздельная полимеризация жирных кислот и глицерина с последующей этерификацией ведет к образованию неионогенных, относительно высокомолекулярных эмульгаторов Е476 - эфиров полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (PGPR). Они достаточно сильно влияют на поверхностное напряжение в системе масло/вода и масло/жировой кристалл. Для этих эмульгаторов (Е476) есть две различных области применения:
- в качестве эмульгатора и разделителя в разделяющих эмульсиях, спреях
и восках (для смазывания пекарских форм, противней, а также формующих и штампующих машин для кондитерских изделий);
- для снижения вязкости темперируемых шоколадных масс при размалывании, вальцевании, а также для лучшего формования. PGPR также хорошо подходит для получения тонких, но плотных и прочных шоколадных глазурей (покрытий).
Сложные эфиры пропиленгликоля и жирных кислот (Е477) чаще всего используются в качестве соэмульгаторов, повышая взбитость пен, мороженого, десертов и стабилизируя другие препараты эмульгаторов.
Термически окисленное соевое масло (Е479) применяют в разделительных восках и эмульсиях. Поскольку оно содержит оксистеарины, то может использоваться также в качестве антивспенивателя.
Свободная стеароилмолочная кислота трудно поддается механической обработке из-за большого температурного интервала плавления. Лактилаты (Е481...Е482), наоборот, хорошо измельчаются до стабильных порошков.
Из-за малой термостойкости и неустойчивости в отношении гидролиза лактилаты используются преимущественно в сухих добавках, от которых требуется кратковременная эмульгирующая способность: в улучшителях хлеба, хлебобулочных изделий и сладкого теста. В сухих смесях для мороженого и десертов лактилаты улучшают смачиваемость порошка, а в готовом продукте - взбитость и стабильность пены. Часто у них наблюдается синергизм с функциональными белками.
