Загустители и желеобразователи
Загустители — вещества, увеличивающие вязкость пищевых продуктов, загущающие их. Желеобразователями (гелеобразователями) называются вещества, в определенных условиях способные образовывать желе (гели), структурированные дисперсные системы. Загустители и желеобразователи позволяют получать пищевые продукты с нужной консистенцией, улучшают и сохраняют структуру продуктов, оказывая при этом положительное влияние на их вкусовое восприятие. Благодаря способности связывать воду загустители и желеобразователи стабилизируют дисперсные системы: суспензии, эмульсии, пены. Они почти всегда одновременно выполняют другие технологические функции: стабилизаторов и влагоудерживающих агентов. Кроме того, их классифицируют как пищевые волокна.
Четкое разграничение между желеобразователями и загустителями не всегда возможно.
Есть вещества, обладающие в разной степени свойствами и желеобразователя, и загустителя. Некоторые загустители в определенных условиях могут образовывать прочные, эластичные гели.
Загустители и желеобразователи по химической природе представляют собой линейные или разветвленные полимерные цепи с гидрофильными группами, которые вступают в физическое взаимодействие с имеющейся в продукте водой . За исключением микробных полисахаридов ксантана Е415 и геллановой камеди Е418, а также желатина (животный белок), желеобразователи и загустители являются углеводами (полисахаридами) растительного происхождения, растительными гидроколлоидами. Их получают из наземных растений или водорослей. Из бурых водорослей получают альгиновую кислоту Е400 и ее соли Е401-404. Наиболее популярные желеобразователи агар (агар-агар) Е406 и каррагинан (в том числе фурцеллеран) Е407 получают из красных морских водорослей, а пектин Е440 — чаще всего из яблок и цитрусовых. Полисахариды, полученные из растений, подразделяют на защитные коллоиды, выделяемые растением при повреждениях (эксудаты, смолы), и муку семян (резервные полисахариды растений). К смолам относятся арабиногалактан Е409, трагакант Е413, гуммиарабик Е414, камедь карайи Е416, камедь гхатти Е419. К резервным полисахаридам — мука (камедь) плодов рожкового дерева Е410, овсяная камедь Е411, гуаровая камедь Е412, камедь тары Е417, конжаковая камедь Е425.
Гидроколлоиды по химическому строению подразделяются на три группы: кислые полисахариды с остатками уроновой кислоты, кислые полисахариды с остатками серной кислоты и нейтральные полисахариды. В качестве загустителей применяются кислые гидроколлоиды с остатками уроновой кислоты, например, трагакант (Е413) и гуммиарабик (Е414) [110], а также нейтральные соединения, например, камедь плодов рожкового дерева (Е410) и гуар (Е412). Кислые полисахариды с остатками серной кислоты применяются в качестве желеобразователей, например, агар (Е406) и каррагинан (Е407).
Молекулы загустителя свернуты в клубки. Попадая в воду или в среду, содержащую свободную воду, клубок молекулы загустителя благодаря сольватации раскручивается, подвижность молекул воды ограничивается, а вязкость раствора возрастает (табл. 6).
Таблица 6. Вязкость растворов популярных загустителей (вязкость воды ~ 1 сПз)
|
Свойства загустителей, особенно нейтральных полисахаридов, можно менять путем физической обработки, например термической, или путем химической модификации, например, введением в молекулу нейтральных или ионных заместителей. К модифицированным полисахаридам относят сложные эфиры целлюлозы Е461-Е467. Путем химической или физической модификации крахмала можно добиться: понижения или повышения температуры его клейстеризации; понижения или повышения вязкости клейстера; повышения растворимости в холодной воде; появления эмульгирующих свойств; устойчивости к синерезису, кислотам, высоким температурам, циклам оттаивания — замораживания; снижения склонности к ретроградации. При этом получают разные виды модифицированных крахмалов (Е1400-Е1405, Е1410-Е1414, Е1420-Е1423, Е1440, Е1442, Е1443, Е1450, Е1451) [95].
Гели (желе) представляют собой дисперсные системы, по крайней мере двух- компонентные, состоящие из дисперсной фазы, распределенной в дисперсионной среде. Дисперсионной средой является жидкость. В пищевых системах это обычно вода, и гель поэтому носит название гидрогеля. Дисперсной фазой является желе- образователь, полимерные цепи которого образуют поперечно сшитую сетку и не обладают той подвижностью, которая есть у молекул загустителя в высоковязких растворах. Вода в такой системе физически связана и тоже теряет подвижность. Следствием этого является изменение консистенции пищевого продукта. Структура и прочность пищевых гелей, полученных с использованием разных желеобразо- вателей, могут сильно различаться.
Гель практически является закрепленной формой коллоидного раствора — золя. Для превращения золя в гель необходимо, чтобы между распределенными в жидкости молекулами начали действовать силы, вызывающие межмолекулярную сшивку. Это может происходить по-разному: снижением количества растворителя за счет испарения; понижением растворимости распределенного вещества за счет химического взаимодействия; добавкой веществ, способствующих образованию связей и поперечной сшивке; изменением температуры и регулированием величины рН.
Начало желирования сопровождается замедлением броуновского движения частиц дисперсной фазы (возрастанием вязкости), их гидратацией и образованием полимерной сетки. Способность полимеров образовывать гели зависит от длины и числа линейно ориентированных участков их молекул, а также наличия боковых цепей, создающих стерические затруднения при межмолекулярном взаимодействии. Механизмы желирования желеобразователей также могут сильно различаться, в настоящее время выделяют три основных механизма желирования: сахарно-кислотный, модель «яичной упаковки» и модель двойных спиралей (табл. 7).
Таблица 7. Желеобразование в растворах гидроколлоидов
|
Рассмотрим более подробно желирование высоко- и низкоэтерифицированных пектинов.
Способность желировать у высокоэтерифицированных пектинов (степень этерификации от 50 до 75%, молекулярная масса от 10000 до 300000) основана на свойстве линейных молекул образовывать трехмерную полимерную сетку в присутствии воды, кислоты и сахара. Межмолекулярные связи представлены водородными мостиками, свободные сегменты молекул сильно гидратированы. Присутствие определенного количества кислоты необходимо для подавления диссоциации свободных карбоксильных групп. При этом общий отрицательный заряд молекул снижается и тем самым подавляется их взаимное отталкивание. Высокая концентрация нейтральных Сахаров, например, сахарозы, в свою очередь, снижает водную активность системы с одновременной дегидратацией пектиновых молекул, что приводит к более легкому сближению зон связывания.
Низкоэтерифицированные пектины (степень этерификации <50%), как и другие ионные желеобразователи, желируют в присутствии определенных катионов, обычно кальция. Способность желировать для низкоэтерифицированных пектинов практически не зависит от содержания сухих веществ и значения рН. Так, молочные гели имеют рН около 6,5, а желированные фруктовые и овощные соки — около 2,5. Связывание полимерных цепочек низкоэтерифицированных пектинов происходит посредством поливалентных катионов (Са2+). Причем концентрация ионов кальция очень важна для свойств геля, например, при их недостатке гель не образуется, а при избытке образуется гель, склонный к синерезису, кроме того, в осадок выпадает соль — пектинат кальция.