Пищевые поверхностно-активные вещества (ПАВ)

Пищевые добавки: красители, поверхностно-активные вещества, антиоксиданты, консерванты, антимикробные агенты, подсластители – их роль в технологии.

Вещества – улучшители внешнего вида продукции

 

В пищевой промышленности применяется большая группа веществ, объединяемая общим термином пищевые добавки. В большинстве случаев под этим понятием объединяют группу веществ природного происхождения или получаемых искусственным путем, использование которых необходимо для усовершенствования технологии, получения продуктов специализированного назначения (диетических, лечебных и др.), сохранения требуемых или придания новых, необходимых свойств, повышения стабильности и улучшения органических свойств пищевых продуктов.

Обычно к пищевым добавкам не относят соединения, повышающие пищевую ценность продуктов питания: витамины, микроэлементы, аминокислоты.

Обычно пищевые добавки разделяют на несколько групп: вещества улучшающие внешний вид продуктов; вещества, изменяющие консистенцию, иногда в эту группу включают и пищевые поверхностно-активные вещества (ПАВ); ароматизаторы, подслащивающие вещества и вкусовые добавки; вещества, повышающие сохранность продуктов питания и увеличивающих сроки их хранения.

Пищевые добавки используются человеком много веков: соль, специи – перец, гвоздика, мускатный орех; мед и др. Однако широкое использование пищевых добавок началось в конце XIX в.

Пищевые красители

Среди веществ, определяющих внешний вид пищевых продуктов, важное место принадлежит пищевым красителям. Для придания пищевым продуктам и полуфабрикатам различной окраски используют природные (натуральные) и синтетические (органические и неорганические) красители. Окрашивание пищевых продуктов – кондитерских, ликеро-наливочных изделий, безалкогольных напитков, пищевых концентратов, киселей и т.п. – широко распространено и предусмотрено нормативно-технической документацией.

Основным требованием, предъявляемым к пищевым красителям, является нетоксичность и безвредность для организма человека.

Среди пищевых красителей предпочтение отдается натуральным пищевым красителям, которые содержат в своем составе кроме красящих пигментов другие полезные биологически активные компоненты: витамины, гликозиды, органические кислоты, ароматические вещества, микроэлементы и др. Поэтому использование их для окрашивания продуктов питания позволяет не только улучшить внешний вид, но и повысить пищевую ценность изделий.

Материалом для получения натуральных красителей служат цветы, ягоды, плоды, овощи, корнеплоды и другие части растений, содержащие пигменты, окраска которых обусловлена присутствием таких химических соединений, как антоцианы, каротиноиды, хлорофилл и т.п.

 

Основные требования, предъявляемые к натуральным пищевым красителям

1. Важнейшее из них – это абсолютная безвредность красителей.

2. Натуральные пищевые красители должны быть устойчивы к температурным воздействиям. При нагревании до температуры 100-105 ^оС основные свойства красителей не должны изменяться.

3. Красители должны обладать хорошей красящей способностью.

4. Красители не должны иметь неприятных посторонних вкуса и запаха.

5. Натуральные пищевые красители могут вырабатываться как в жидком концентрированном, так и в сухом порошкообразном виде.

6. Цвет окрашенных пищевых продуктов должен быть стойким и не изменяться при хранении их в течение гарантийного срока.

Красящие вещества растительного происхождения разнообразны по химическому составу и структуре. Наиболее широко распространены красящие вещества, относящиеся по химической природе к флавоноидным и каротиноидным соединениям, которые являются основой красных, оранжевых и желтых красителей.

Кармин – красный краситель, производное антрахинона:

 

Формула

 

Кармин получают из кошенели – насекомых, живущих на кактусах, которые растут в Африке и Южной Америке.

Алканин – производное 1,4-нафтохинона

 

Формула

 

Алканин известен как краситель еще в древности, его получают из корней растений Alkana tincforia. Придает красно-бордовую окраску.

Куркума – желтый природный краситель, получают из многолетних травянистых растений семейства имбирных.

 

Формула

 

Используют в виде спиртового раствора, т.к. куркума плохо растворяется в воде.

Энокраситель – получают из выжимок красных сортов винограда и ягод бузины в виде жидкости интенсивно красного цвета. В ее состав входит смесь соединений, в том числе антоцианов и катехинов. Окраска продукта энокрасителем зависит от рН среды.

В последнее время начали использовать в качестве желтых, розово-красных красителей пигменты, содержащиеся в соке кизила, красной и черной смородины, клюквы, брусники и т.д.

Сахарный колер (карамель) – темно-окрашенный продукт карамелизации сахара. Его водные растворы представляют собой приятно пахнущую, темно-коричневую жидкость. Применяют для окраски напитков, кондитерских изделий в кулинарии. Среди синтетических красителей необходимо отметить следующие разрешенные к употреблению в нашей стране.

Индигокармин (динатриевая соль индиго-дисульфокислоты). Индигокармин при растворении в воде дает растворы интенсивного синего цвета. Применяют в кондитерской промышленности и при производстве сахара-рафинада.

Татразин желтый – натриевая соль азокрасителя. Он хорошо растворим в воде, образует растворы оранжево-желтого цвета. Используют в кондитерской промышленности, при производстве напитков.

 

Пищевые поверхностно-активные вещества (ПАВ)

К ним относятся группы веществ, которые снижают поверхностное натяжение. Это позволяет использовать их для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. Обычно молекулы ПАВ имеют дифильное строение, т.е. содержат гидрофильные и гидрофобные группы. Гидрофильные обеспечивают растворимость в воде, гидрофобные – в неполярных растворителях. Соответствующим образом они располагаются на поверхности раздела фаз. Их основные физико-химические, а отсюда и технологические свойства зависят от химического строения и соотношения молекулярных масс гидрофильных и гидрофобных групп.

С помощью ПАВ можно регулировать свойства гетерогенных систем, которыми являются пищевое сырье, полупродукты и готовые продукты.

В настоящее время во многих странах производят тысячи тонн пищевых ПАВ.

Основные пищевые ПАВ – это производные одноатомных и многоатомных спиртов, моно- и дисахаридов, структурными компонентами которых являются остатки кислот различного строения.

Обычно ПАВ, применяемые в пищевой промышленности, не являются индивидуальными веществами, это многокомпонентные смеси. ПАВ нашли применение во всех отраслях пищевой промышленности.

Рассмотрим основные группы пищевых ПАВ, применяющихся в пищевой промышленности.

1) Моно-, диациглицерины (моно-, диглецириды) и их производные получают гидролизом ацилглицеринов или этерификацией глицерина высокомолекулярными жирными кислотами; к ним может быть отнесен и эмульгатор Т-1.

Формула

 

Применение моно- и диглециридов в хлебопечении улучшает качество хлеба, замедляет процесс черствения, в макаронной промышленности повышает качество, снижает клейкость макаронных изделий, в маргарине повышает пластические свойства.

Нашли применение и производные моноглицеридов, этерифицированные карбоновыми кислотами:

 

Формула

 

Формула

 

Эти продукты используют в хлебопечении, кондитерской и сахарной промышленности, при производстве мороженого.

2) Фосфолипиды как природного, так и синтетического происхождения применяют в хлебопекарной, кондитерской, маргариновой отраслях промышленности.

а) природные фосфолипиды (фосфатиды, фосфатидный концентрат) получают из растительных масел при их гидратации. Их применяют при производстве хлеба, мучных кондитерских изделий, шоколада, напитков, мороженого.

б) синтетические фосфолипиды, применяемые в пищевой промышленности, по своему составу отличаются от природных отсутствием в их молекулах азотистых оснований, они представляют собой сложную смесь аммониевых или натриевых солей различных фосфатидных кислот с триглецеридами:

 

Формула

 

Их применение в шоколадном производстве позволяет экономить масло-какао, в маргариновой – получать низкожирные маргарины с содержанием жировой фазы 40-50 %.

3) Эфиры полиглицерина – соединения, представляющие собой сложные эфиры жирных кислот с полиглецирином. Кроме того, эти продукты содержат свободные полиглицерины, некоторое количество моно-, ди-, триглециридов. Применяют в хлебопекарной, кондитерской и маргариновых отраслях промышленности.

4) Эфиры сахарозы по составу представляют собой сложные эфиры природных кислот с сахарозой. Спектр применения этих соединений очень широкий – кондитерские изделия, хлебопечение, производство мороженого.

5) Производные высших жирных спиртов

 

Формула

 

Они нашли применение почти во всех отраслях пищевой промышленности.

 

Антиоксиданты

Антиоксидантами называют вещества, способные тормозить и даже подавлять процессы радикально-цепного окисления органических и высокомолекулярных соединений и тем самым снижающие выход продуктов этого окисления: гидроперекисей, спиртов, альдегидов, кетонов, жирных кислот и т.д. Антиоксиданты биогенного или синтетического происхождения, которые оказались нетоксичными для живых организмов, биологи назвали биоантиоксидантами. К природным антиоксидантам относят токоферолы, витамины группы К и А, стероидные гормоны, фосфолипиды и т.д. Все эти вещества жирорастворимые. К водорастворимым антиоксидантам относят аскорбиновую, лимонную, никотиновую кислоты, мочевину, серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин), витамины группы Р, некоторые антибиотики (тетрациклин, пенициллин, левомецитин, стрептомицин). Выраженным антиокислительным действием обладают эфирные водные вытяжки из некоторых шикрого используемых лечебных грязей.

Многие процессы, протекающие в клетках проходят с участием свободных радикалов. Это прежде всего процессы окисления липидов, поскольку липиды являются субстратом; наиболее благоприятным для развития процессов радикально-ценного окисления. Известно для пути окисления липидов: ферментативный и неферментативный. Независимо от того, каким путем идет окисление, оно идет с образованием свободных радикалов и на скорость этого процесса влияют вещества, активно реагирующие с перекисными радикалами и изменяющие их концентрацию – антиоксиданты.

Перспективное направление применения антиоксидантов связано со стабилизацией пищевых продуктов, продуктов растениеводства.

Так, например, обработка проростков огурцов АО, триптофаном и др. приводила к защите овощей от повреждения озоном или пероксидом водорода. Синтетические антиоксиданты подавляют развитие рака картофеля. Подобный эффект был получен на опухолях подсолнечника и томатов, вызванных вирусным возбудителем.

В состав ряда животных и растительных жиров уже входят природные антиокислители, но в процессе производства, очистки и хранения жиров эти антиоксиданты могут частично удаляться или снижать свою эффективность. Это приводит к резкому понижению устойчивости пищевых жиров и к ухудшению их органолептических и технологических свойств.

Из синтетических антиоксидантов в медицине, биологии, пищевой промышленности используют производные барбитуровой кислоты, органические соединения серы, фенолы и т.д.

Синтетические антиоксиданты в малых концентрациях стимулируют рост и физиологическую активность пекарских дрожжей. Это выражается в увеличении количества клеток, накопления биомассы, подъемной силы. В процессе сушки хлебопекарных дрожжей синтетический антиоксидант ионол стабилизирует их физиологическую активность.

 

Консерванты.

Рассмотрим химические консерванты, добавляя которые удается замедлить или предотвратить развитие: бактерий, плесеней, дрожжей и других микроорганизмов, а следовательно продлить сохранность продуктов питания. Эти соединения должны быть безвредны, не изменять органолептических свойств пищевых продуктов. Их эффективность, способы применения зависят от их химической природы, концентрации, иногда от рН среды. В ряде случаев целесообразно использовать смесь нескольких консервантов. Нет универсальных консервантов, которые были бы пригодны для всех пищевых продуктов. Одним из наиболее распространенных консервантов является диоксид серы SO₂ (сернистый газ). Применяются и соли сернистой кислоты (Na₂SO₃, NaHSO₃). Сернистый газ хорошо растворим в воде (сернистая кислота) и обладает антимикробным действием. Сернистый газ, соли сернистой кислоты (сульфиты) подавляют рост плесневых грибов, дрожжей, некоторых бактерий. Используют для сохранения соков, плодоовощных пюре, повидла и т.д. Сульфиты применяют в качестве отбеливающего материала, предохраняющего очищенный картофель, разрезанные плоды и овощи от потемнения. Сернистый газ разрушает витамины В₁ (тиамин) и биотин, поэтому применение его для стабилизации продуктов нежелательно.

Сорбиновая кислота СН₃ – СН = СН – СН = СН – СООН и ее калиевые, натриевые и кальциевые соли применяются в качестве консервантов при производстве фруктовых, овощных, рыбных и мясных изделий, маргарина. Сорбиновая кислота используется для обработки материала, в который упаковывают пищевые продукты.

Бензойная кислота С₆Н₅ – СООН и ее соли (бензоаты). Она входит в состав многих плодов и является распространенным природным консервантом. Бензойная кислота применяется при изготовлении плодово-ягодных изделий, бензоат натрия – при производстве рыбных консервов, маргарина, напитков.

Формальдегид формула и уротропин С₆Н₁₂N₄ применяются для консервирования ограниченного числа продуктов: икра лососевых рыб.

 

Органические кислоты и их соли. Муравьиная, пропионовая, лимонная. Соли муравьиной кислоты применяются в качестве вкусовых веществ (солезаменители). Пропионовая кислота используется в кондитерской и хлебобулочной промышленности. Лимонная кислота – в маргариновой продукции.

Антимикробные агенты

Антимикробные агенты рассмотрим на примере в технологии приготовления консервов.

Основная цель консервного производства – выработка пищевых продуктов, обладающих длительными сроками хранения при сохранении питательных и вкусовых достоинств. Основной причиной порчи пищевых продуктов являются микробиологические и ферментативные процессы. Поэтому в основу консервирования положены принципы замедления ими прекращения жизнедеятельности микроорганизмов.

Принцип биоза – поддержание жизненных процессов, происходящих в продуктах и препятствующих развитию микроорганизмов (хранение свежих плодов и овощей).

Принцип анабиоза – подавление жизнедеятельности микроорганизмов воздействием различных физических и химических факторов, при котором подавляются протекающие в сырье жизненные процессы (хранение пищевых продуктов при низких температурах, консервирование путем добавления химических консервантов).

Принцип абиоза – прекращение жизнедеятельности микроорганизмов, сопровождающиеся прекращением жизненных процессов в сырье, нагреванием, действием электрического тока, добавлением химических веществ, уничтожающих микроорганизмы.

В технологии консервирования различают физические, химические, микробиологические и комбинированные методы консервирования.

К физическим методам относятся тепловая обработка, ионизирующее облучение, охлаждение, замораживание, сушка.

Химические методы консервирования основаны на свойстве некоторых веществ подавлять развитие микроорганизмов или полностью уничтожать их. Такие вещества, так называемые антимикробные агенты должны быть безвредными для человека или легко удаляться из продукта перед употреблением, не сообщать ему несвойственных запаха и вкуса и не снижать пищевых достоинств продукта.

Самый распространенный антисептик – сернистая кислота (H₂SO₃).  Она способствует сохранении. Витамина С, инактивируя ферментную систему, которая окисляет этот витамин. В готовых изделиях их фруктов (мармелада и пр.) содержание сернистой кислоты не должно превышать 20 мг на 1 кг изделий.

В качестве антисептика применяются также бензойная кислота (С₆Н₅ – СООН) и ее натриевая соль (бензойнокислый натрий). При концентрации 0,05-0,1 % они подавляют развитие дрожжей, плесеней, бактерий.

Винный спирт (С₂Н₅ОН) как консервант плодовых и ягодных соков эффективен при концентрации не менее 16 %.

Уксусная кислота (СН₃СООН) подавляет многие микроорганизмы, в т.ч. некоторые гнилостные, и в концентрации 1,2-1,8 % применяются для маринования.

Сорбиновая кислота при концентрации 0,025-0,05 % оказывает бактерицидное действие на плесени и дрожжи, но на бактерии почти не влияет. Для человека безвредна ее концентрация до 0,1 %.

Внесение сахара и соли повышает осмотическое давление, что замедляет жизнедеятельность микроорганизмов. В последнее время широко применяются антибиотики – химические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие способностью подавлять рост бактерий и убивать их. Они характеризуются избирательным действием.

Микробиологические методы основаны на консервирующем действии веществ, образующихся в продуктах в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Для этого чаще всего используются молочнокислые бактерии, которые при сбраживании сахара выделяют в окружающую среду молочную кислоту (СН₃СНОНСООН). При концентрации 0,5 % кислота подавляет многие вредные микроорганизмы, но не задерживает развития дрожжей и плесеней. Консервирующей действие может вызвать и этиловый спирт, выделяющийся при сбраживании дрожжами сахаров. Молочнокислое и спиртовое броежение происходит при квашении овощей и замачивании плодов. При этих процессах может накапливаться до 0,5-0,7 % этилового спирта.

 

Подсластители

В пищевой промышленности, кулинарии, при приготовлении пищи в домашних условиях с давних времен широко применяются вещества, обладающие сладким вкусом, - подслащивающие вещества. Первыми из них были мед, соки и плоды растений. Основное сладкое вещество, которое используется нами, - сахароза. В последнее время с учетом требований науки о питании, расширения производства низкокалорийных продуктов, а также продуктов для людей, больных диабетом, расширяется выпуск заменителей сахарозы как природного происхождения, так и синтетических. В пищевой промышленности возрастает использование подсластителей из крахмала: патоки, глюкозо-фруктозных сиропов, глюкозы.

Рассмотрим традиционные подслащивающие вещества.

Мед – продукт переработки цветочного нектара медоносных цветов пчелами. Состав, цвет и аромат меда во многом определяется растениями, с которых был получен нектар пчелами. Содержит 75 % моно- и дисахаридов. Из витаминов С, В₆, в незначительном количестве – В₂, В₁. Из микроэлементов – железо, йод, фтор. Мед используют в питании и в качестве лекарства, а также в кондитерской и хлебопекарной промышленности, при изготовлении напитков.

Солодовый экстракт – водная вытяжка из ячменного солода – представляет собой смесь из моно- и олигосахаридов (глюкоза, фруктоза, мальтоза, сахароза), белков, минеральных веществ, ферментов. Содержание сахарозы достигает 5 %. Используют в кондитерской промышленности, при приготовлении продуктов для детского питания.

Лактоза – молочный сахар – используют в детском питании и для производства специальных кондитерских изделий.

Многоатомные спирты. Среди них широкое применение нашли сорбит и ксилит. Их иногда называют сахарными спиртами.

Формула

 

Они практически полностью усваиваются организмом. Ксилит, кроме того, оказывает положительное действие на состояние зубов, увеличивает выделение желудочного сока и желчи.

Из синтетических веществ применение находит – сахарин, белое кристаллическое вещество, слаще сахарозы в 300-500 раз.

 

Формула

 

Сахарин быстро проходит через пищеварительный тракт, и 98 % его выходит с мочой. Ежедневное применение сахарина нежелательно. Используется при производстве пищевых продуктов для больных диабетом, диетических сыров, напитков, жевательной резинки.

Цикломаты – соединения с приятным сладким вкусом, стабильные при варке, выпечке, хорошо растворимы в воде. Сладость в 30 раз выше, чем у сахарозы.

 

Формула

 

В ряде стран применяются в кондитерской промышленности и при производстве напитков.

Аспартам.

 

Формула

 

В состав аспартами входят остатки аспарагиновой и фенилаланиновой аминокислот. Аспартам прошел тщательную проверку на токсичность и канцерогенность и является безвредным. Он удобен для подслащивания пищевых продуктов (например кремов, мороженого), которые не требуют тепловой обработки.

Применение многих заменителей сахарозы требует дополнительного использования наполнителей, консервирующих веществ.