Гидроколлоиды. Общие сведения

 

Гидроколлоиды представляют собой высокомолекулярные растворимые (или частично растворимые, набухающие) в воде органические вещества, широко распространенные в природе (а также искусственно синтезируемые) и различающиеся по происхождению, химическому составу, свойствам, области применения.

По происхождению гидроколлоиды можно разделить на 3 основные группы:

- гидроколлоиды, продуцируемые микроорганизмами;

- гидроколлоиды животного происхождения;

- гидроколлоиды растительного происхождения.

Представителями первой группы являются ксантановая (Е 415) и геллановая (Е 418) камеди, а также камеди веллана и рамзана.

Гидроколлоидом животного происхождения является желатин, получаемый путем термического гидролиза белка соединительной ткани коллагена.

К гидроколлоидам растительного происхождения относятся разнообразные продукты переработки растений и морских водорослей. Иногда водорослевые полисахариды выделяют в отдельную самостоятельную группу на основе специфики свойств и широкого разнообразия их источников - водорослей.

Гидроколлоиды, получаемые из наземного растительного сырья, можно, в свою очередь, разделить на 3 основные подгруппы:

- экстракты семян растений (галактоманнаны): камедь рожкового дерева / LBG (Е 410), гуаровая камедь (Е 412);

- экстракты собственно растений: гуммиарабик (Е 414), камедь трагаканта (Е 413), камедь карайи (Е 416);

- экстракты плодов растений: различные пектины и крахмалы.

К гидроколлоидам, получаемым в результате переработки морских водорослей, относятся альгинаты (Е 401, Е 402, Е 404), агар и агароид (Е 406), каррагенаны (Е 407) и другие. [7]

Представители различных групп гидроколлоидов нашли то или иное применение при производстве многих видов пищевых продуктов - кондитерских и хлебобулочных изделий, соков и напитков, молочных и мясных продуктов, кулинарных изделий и готовых блюд, продуктов специального, лечебного, профилактического и диетического питания.

К примеру, при производстве мясных продуктов наиболее широко используются крахмалы, желатин, каррагенан, а также некоторые виды камедей.

Согласно данным [1], камедями считают «продукты, выделяющиеся из надрезов и трещин растений или получаемые в результате их промышленной переработки; к камедям также относятся коммерческие препараты на основе полисахаридов, продуцируемых некоторыми видами микроорганизмов».

В химическом отношении камеди не однородны и относятся к гетерополисахаридам - гексозаны, пентазаны, полиурониды.

Камедь рожкового дерева, известная еще в Древнем Египте, получается при переработке семян растения Ceratonia siligua. Препарат гуаровой камеди извлекается из молотого эндосперма семян гуарового растения Cyamopsis tetragonolobus, культивируемого в Индии и Пакистане. Ксантановая камедь остается единственным полисахаридом, получаемым промышленным способом в широком масштабе путем микробного биосинтеза в аэробных условиях, ферментацией углеводов микроорганизмами Xanthomonas campetris. Ксантан широко применяется при производстве хлебобулочных и кондитерских изделий, мармеладов, джемов, желе, соусов, соков и напитков.

По способности растворяться в воде гидроколлоиды делятся на полностью растворимые, сильно набухающие и мало растворимые. Для многих гидроколлоидов растворение должно сопровождаться термостатированием или даже интенсивным нагреванием. В холодной воде набухание полисахаридов зачастую сопровождается образованием вязких коллоидных растворов. Высокая гидрофильность гидроколлоидов обусловлена их химическим строением - наличием боковых цепей и большого числа заряженных карбоксильных групп [3].

В пищевой промышленности полисахариды гидроколлоидов часто используются в качестве загустителей и стабилизаторов консистенции, для формирования вязкости и пластичности структуры готового продукта. Вязкость, термообратимость, структура, стойкость дисперсных растворов гидроколлоидов зависит от вида и концентрации полисахарида, температуры и времени застудневания, уровня рН среды, наличия и концентрации добавок. Для достижения необходимого уровня вязкости, концентрация большинства полисахаридов колеблется в пределах от 0,1 до 3 %. При использовании тонкодисперсных порошков (размер частиц около 100 мкм) геле- и студнеобразование протекает за 20-40 минут (для большинства ПС). Для гидратации и набухания более крупных частиц ряда полисахаридов (200-300 мкм) необходима выдержка порядка 1 часа. Следует иметь в виду, что скорость набухания частиц существенным образом зависит от интенсивности перемешивания и температуры, в которой находится при этом система [3,6].

При повторном нагреве-охлаждении системы гигроскопировавшего полисахарида может наблюдаться синерезис, что отрицательно сказывается на свойствах и качестве продукции. Тем не менее, для некоторых гидроколлоидов характерна термообратимость их студней (например, студни альгината натрия) [7].

Соотношение гидроколлоидов при совместном использовании варьируется в зависимости от множества факторов - вида продукта, рецептуры, исходного состояния основного сырья и др. Рекомендуемое соотношение для камедей и каррагенана, к примеру, составляет от 1:1 до 1:3. А для систем типа пектин + альгинат оптимальное соотношение концентрации - 1:1 (определено эмпирически) [6].

Для исключения или снижения эффекта пленкообразования и комкования гидроколлойдов при растворении необходимо применять высокоскоростное перемешивающее оборудование и предварительно смешивать образцы с другими сыпучими рецептурными компонентами (сахар, лимонная кислота и др.), что позволяет увеличить расстояние между частицами и предотвратить их агломерацию [4].

Пектин

Общие сведения о пектинах

 

Пектиновые вещества или пектины (от греч. pectos - свернувшийся, замёрзший) - полисахариды, образованные остатками галактуроновой и галуроновой кислот. Присутствуют во всех высших растениях, особенно много их во фруктах. Пектины, являясь структурным элементом растительных тканей, способствуют поддержанию в них тургора, повышают засухоустойчивость растений, сохраняемость.

Используются в пищевой промышленности в качестве структурообразователей (гелеобразователей), загустителей, а также в медицинской и фармацевтической промышленности - в качестве физиологически активных веществ с полезными для организма человека свойствами. В промышленных масштабах получают пектиновые вещества в основном из яблочных и/или цитрусовых выжимок, жома сахарной свёклы, корзинок подсолнечника [2].

 

Применение пектинов

 

Пектин для применения в пищевой и фармацевтической промышленности получают кислотной экстракцией из цитрусовых (лайм, лимон, апельсин, грейпфрут), яблочных выжимок, жома сахарной свеклы или из корзинок подсолнечника. Технологическая схема получения пектина предусматривает его очистку после экстракции, осаждение органическими растворителями, сушку, измельчение и стандартизацию. Стандартизация представляет собой процесс модификации свойств пектина, достигаемой физическими и/или химическими способами, с целью приведения их в соответствие с технологическими и рецептурными требованиями производства различных групп пищевых и непищевых продуктов. Пектин является гелеобразователем, стабилизатором, загустителем, влаго-удерживающим агентом, осветлителем, веществом, облегчающим фильтрование и средством для капсулирования, зарегистрирован в качестве пищевой добавки E440. В пищевой промышленности пектин используют в производстве начинок для конфет, фруктовых начинок, кондитерских желейных и пастильных изделий (зефир, пастила, мармелад), молочных продуктов, десертов, мороженого, спредов, майонеза, кетчупа, сокосодержащих напитков и т.д. В фармацевтической и медицинской промышленности пектин используют для капсулирования лекарств, а также для изготовления специальных лечебно-профилактических средств [5].

 

Растворимость пектинов

 

Пектины для промышленного применения, полученные из различных растительных источников, представляют собою порошки без запаха и слизистые на вкус от светло-кремового до коричневого цвета. Цитрусовые пектины обычно светлее яблочных. Во влажной атмосфере пектины могут сорбировать до 20 % воды. В избытке воды они хорошо набухают. Пектины не растворяются в растворах с содержанием сухих веществ более 30 %.

В отличие от сахарного песка, который сразу же после попадания в воду начинает растворяться, частица пектинового порошка, попав в воду, всасывает ее, словно губка, увеличиваясь в размерах в несколько раз, и только после достижения определенного размера начинает растворяться.

Если частицы пектинового порошка при соприкосновении с водой находятся близко друг к другу, то, всасывая воду и разбухая, они слипаются, образуя липкий ком, медленно растворяющийся в воде [7].

Желирование пектинов

 

По особенностям химического строения и структурообразующим характеристикам пектины принято делить на высокоэтерифицированные и низкоэтерифицированные. Первая группа предоставляет более широкие возможности регулирования желеобразования, зато пектины второй группы способны желировать без применения добавок, в частности кислоты. Исходя из этих качеств, и принимается решения об использовании пектинов той или иной группы для конкретных целей и задач. Низкоэтерифицированные пектины зачастую применяют при производстве продуктов с нейтральным, терпким или сладким вкусом (например, со вкусом мяты, корицы, рома и т.д.).

Механизмы желирования у названных групп пектинов отличаются. Высокоэтерифицированные пектины желируют при высоком содержании сухих веществ в среде (например, при высоком содержании сахара) и высокой кислотности; низкоэтерифицированные пектины способны образовывать гели при низких содержаниях сухих веществ и невысокой кислотности. Желирование высокоэтерифицированных пектинов - это процесс, при котором полимерные молекулы в условиях высокой кислотности и высокого содержания сухих веществ, взаимодействуют друг с другом через образование химических связей - водородных мостиков, образуют плотную пространственную структуру, называемую гелем или желе. Молекулы пектина образуют равномерно распределенную трехмерную сеть, связывая при этом большое количество воды. Желирование низкоэтерифицированных пектинов происходит как по механизму желирования высокоэтерифицированных пектинов, так и в результате взаимодействия с ионами поливалентных металлов, например, с ионами кальция Са²⁺. При этом ионы кальция являются связующими звеньями между полимерными молекулами пектина, образующими пространственную структуру геля. Именно гелеобразующая способность пектина является определяющим фактором его широкого применения в пищевой промышленности [6,7].

 

3.5 Комплексообразование пектинов

 

Комплексообразующая способность основана на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых металлов и радиоактивных веществ. Благодаря наличию в молекулах большого количества свободных карбоксильных групп именно низкоэтерифицированные пектины проявляют наибольшую эффективность в отношении связывания вредных веществ. Специальные препараты, содержащие комплексы высоко- и никзоэтерифицированных пектинов, включают в рацион питания лиц, находящихся в среде, загрязненной радионуклидами, и имеющих контакт с тяжелыми металлами. Специальные высокоочищенные пектины могут быть отнесены к незаменимому веществу для использования в производстве функциональных пищевых продуктов, а также продуктов здорового и специального (профилактического и лечебного) питания. Оптимальная профилактическая доза пектина составляет 3-5 г в сутки, а в условиях радиоактивного загрязнения - 15-18 г [7].

Производство пектинов

 

Производство пектина - динамически развивающийся бизнес с ежегодным увеличением производства на 3-4 %. Мировое производство и рынок пектина в основном сосредоточены в Европе (Германия, Швейцария, Дания, Прибалтика и др.), а также в Аргентине, Бразилии, Южной Африке, Китае. Объем производства составляет приблизительно 28-30 тыс. тон в год. На долю пектина из цитрусовых культур приходится 70 % производимого пектина, на долю яблочных пектинов - 30 %. Ведущими мировыми производителями этого продукта являются компании Herbstreith & Fox, Cargill, Danisco, Unipectin.

В Российской Федерации пектин в основном применяют для производства кондитерских желейных изделий (мармелад, зефир), фруктовых желейных консервов (конфитюр, джем, повидло), кисломолочных продуктов (йогурты). Крупнейший поставщик пектина в Россию - ЗАО "Балтийская группа". Для широкого потребителя в промышленных условиях производят пектин 2 форм - жидкий и порошкообразный. От формы используемого пектина зависят правила смешивания продуктов [7].