Способы регулирования структуры пищевых продуктов
Регулирование структуры. Структура или внутреннее устройство пищевых продуктов в наиболее кратком изложении — есть взаиморасположение ее составных частей и связь между ними.
Тип структуры и механические свойства пищевых продуктов определяют их консистенцию — одну из наиболее сложных и важных сенсорных характеристик пищевых продуктов. По классификации П. А. Ребиндера структура пищевых продуктов может быть представлена двумя типами.
Первый, наиболее распространенный, тип структур коагуляционные структуры, образующиеся в результате сцепления частиц Ван-дер-ваальсовыми силами. Эти структуры обладают малой прочностью вследствие наличия тонких устойчивых прослоек жидкой среды в участках сцепления элементов коагуляционной сетки, препятствующей сближению частиц. Характерной особенностью этих структур является тиксотропия.
Второй тип — конденсационно-кристаллизационные структуры, образующиеся вследствие непосредственного фазового контакта; в них отсутствуют жидкие прослойки в узлах сцеплении пространственной сетки. Такие структуры обладают большей прочностью, чем коагуляционные, и представляют собой необратимо разрушающиеся нетиксотропные пространственные сетчатые образования.
В технологии пищевых продуктов важная роль отводится дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.
Коллоидные системы получают, как правило, двумя способами: диспергированием — дроблением крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности; конденсацией, соединением атомов, ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров. Необходимыми условиями образования коллоидных систем являются: нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, обеспечивающее коллоидной системе агрегативную устойчивость. В роли стабилизаторов часто выступают вещества, являющиеся природными полимерами — белки и полисахариды. Их растворы по своим свойствам аналогичны коллоидным системам, но в отличие от золей они образуются самопроизвольно вследствие медленного набухания и растворения.
|
|
|
Структурообразователи вносят в состав создаваемых продуктов с различными технологическими целями: для загущения, эмульгирования, водоудержания, пенообразования, флокуляции, седиментации, предотвращения синерезиса, ингибирования кристаллизации и черствления, дегазации, коалесценции и т. д. Поэтому каждый структурообразователь должен обладать определенными функциональными свойствами, которые обусловливают направления его использования: студнеобразователь, загуститель, эмульгатор, пенообразователь, связующее вещество и пленкообразователь.
|
|
|
Студнеобразователи — это вещества, способные формировать при определенных условиях (концентрация, температура и др.) трехмерные структуры геля, относящиеся к конденсационно-кристаллизационным нетиксотропным структурам. К студнеобразователям относят агар, желатин, соли альгиновых кислот, каррагинаны, белок в составе мясного и рыбного фарша (сурими) и др.
Загустители — вещества, образующие в воде высоковязкие растворы. С повышением концентрации вязкость растворов возрастает, и при определенных значениях структура системы может перейти из коагуляционной в конденсационно-кристаллизационную. Это значит, что все студнеобразователи могут быть загустителями. Например, каррагинаны, используемые для изменения реологических свойств продуктов питания, в зависимости от дозировки и условий могут образовывать все промежуточные стадии полученной структуры — от слабых тиксотропных до структуры геля. Типичными представителями загустителей являются микрокристаллическая целлюлоза и простые эфиры целлюлозы.
Эмульгаторы — вещества, уменьшающие поверхностное натяжение и способные образовывать адсорбционные слои на границе раздела фаз. Эмульгаторы можно условно разделить на две группы.
|
|
|
Первая группа — вещества, которые способствуют эмульгированию, образуют адсорбционные слои, но не формируют структурную сетку геля или хотя бы ее элементы, т. е. не обладают эффектом сгущения (лецитин, жирные кислоты и их соли и др.). При использовании таких веществ в технологии пищевых продуктов часто возникает потребность введения в состав продукта специальных загустителей.
Вторая группа эмульгаторов — это высокомолекулярные поверхностно-активные вещества (ВПАВ), способные на внешней поверхности капель жира образовывать коллоидные адсорбционные слои, а в непрерывной фазе формировать структурную сетку геля, Поэтому эмульгаторы ВПАВ одновременно являются и загустителями (желатин, альгинат, яичный белок и др.). Однако следует отметить, что высокомолекулярные соединения, которые образуют гели, но не являются поверхностно-активными веществами, не могут стабилизировать эмульсии.
При получении эмульсий используют ионогенные и неионогенные эмульгаторы. Высокомолекулярные соединения относят к неионогенным эмульгаторам, дифильные молекулы которых состоят из углеводородного радикала и углеводородной цепи с расположенными по всей ее длине полярными, но неспособными к ионизации группами, чаще всего гидроксильными. Молекулы ионогенных эмульгаторов (мыла) содержат ионогенные полярные группы. В зависимости от электрического заряда ионогенной гидрофильной группы различают анионо- и катионоактивные эмульгаторы. В технологии пищевых продуктов важно применение прежде всего неионогенных эмульгаторов как естественных компонентов продуктов питания.
|
|
|
Пенообразователи — это вещества, способные образовывать защитные адсорбционные слои на поверхности раздела жидкой и газообразной фаз. Они выполняют две функции: способствуют при диспергировании газа в жидкости образованию пены и обеспечивают устойчивость ее структуры. Как правило, эмульгаторы являются и пенообразователями, причем лучшие из них — белки.
Связующие вещества, или пищевые клеи, — это вещества, обладающие высокой адгезионной способностью по отношению к поверхности частиц пищевых продуктов и связывающие за счет этого их в единое целое. Наиболее типичными представителями связующих веществ являются хитозан, карбоксиметилцеллюлоза, тонко измельченная мышечная ткань рыбы, мяса, птицы.
Пленкообразователи — высокомолекулярные вещества, растворы которых, обладая соответствующей вязкостью и адгезией, при формовании через фильеры заданного профиля фиксируются в виде пленок. При формовании пленок используют два метода: сухой, основанный на испарении растворителя, и мокрый, при котором пленку фиксируют в осадительной ванне. В технологии пищевых продуктов в качестве пленкообразователей широко применяют желатин и альгинат натрия, амилопектин крахмала.
Из приведенных выше данных следует, что одни структурообразователи вследствие своей уникальной природы (химической, физической) проявляют многофункциональность свойств, применение других можно только в одном или двух направлениях.
Одно из важнейших свойств дисперсных систем и растворов высокомолекулярных веществ – способность их к структурообразованию. Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.
Благодаря характерной мягкой, нежной, эластичной консистенции гели издавна используют в пищевых продуктах. Например, джем является древнерусским изобретением, а в средневековой Англии одним из праздничных блюд было «бламанже» – ароматный гель, приготовленный и куринных ножек,сваренных с рисом и миндальным молоком. Гели могут содержать до 99 % воды и в то же время проявлять свойства, характерные для твердого состояния, в частности обладать эластичностью и жесткостью, сохранять определенное пространственное положение (форму). Их свойства являются следствием трехмерного переплетения макромолекул белков или полисахаридов, заполняющих объем, занятый гелем.
Изучению механизма формирования структуры гелей посвящен ряд работ П.А. Ребиндера, В.Н. Измайловой, В.Б. Толстогузова, В.С. Баранова. В растворах белков при определенных условиях происходит конформационный переход макромолекул, в результате чего образуются их агрегаты, являющиеся частицами дисперсной лиофильной фазы. При увеличении числа таких частиц возникают контакты между ними и образуется объемная структура геля, обеспечивающая системе соответствующие механические свойства (вязкость, прочность, упругость, эластичность).
При формировании структуры гелей образуются различные типы связей: водородные с участием пептидных групп цепей; гидрофобные между полярными группами; дисульфидные при наличии серосодержащих аминокислот. Поэтому индивидуальные особенности каждого вида белка (состав и последовательность в полипептидной цепи аминокислот, спирализация и пространственная укладка), а также внешние условия (рН, температура, присутствие ионов, концентрация) определяют тип взаимодействия и соответственно влияют на процесс структурообразования и свойства структур.
Особенности строения полисахаридов обусловливают отличие процессов их структурообразования от белковых систем. Полисахариды в отличие от белков имеют менее выраженную третичную структуру и меньшую подвижность макромолекул, встречаются в природе в виде плотно упакованных, строго упорядоченных цепей (например, амилаза и амилопектин в зернах крахмала). При гелеобразовании полисахаридов формируются структуры трех типов: спирали, рифленые ленты и плотно уложенные ленточные структуры, например целлюлозы.
Многократное повторение моносахарида создает закручивание полимерной цепи в виде двойной спирали. Один виток спирали образуется примерно шестью моносахаридными элементами. Такая двойная спираль получается вследствие образования водородных связей. Подобный вид структуры характерен для гелей крахмала, каррагинана. Гели агара имеют свободную сетчатую структуру, состоящую из длинных цепей макромолекул, удерживающихся вместе в ряде зон двуспиральных соединений.
Структуры рифленых лент характерны для альгинатов и пектинов. Цепи макромолекул, упакованные в такой конфигурации, имеют поры или полости, соответствующие размеру полного радиуса Са+2. Гелеобразование в этих структурах происходит интенсивно при заполнении пор ионами кальция. В альгинатных гелях участки рифленых лент образованы из D-мануроновой и L-глюкуроновой кислот, соединенных гликозидными связями.
Пектин, взаимодействуя с кальцием, образует гель при тех же условиях, что и альгинат. Взаимодействие происходит между сегментами двух цепей галактуроновой кислоты, и соединительные зоны содержат 30—5000 мономерных единиц в зависимости от степени этерификации пектина.
При производстве продуктов заданной формы и структуры используют в основном три метода гелеобразования: термотропное, ионотропное и лиотропное.
Термотропное гелеобразование наблюдают при нагревании или охлаждении жидкой (тиксотропной) системы, содержащей один или несколько структурообразователей.
Ионотропное гелеобразование происходит при изменении ионного состава системы, например концентрации ионов водорода, кальция, натрия и др.
Оно характерно для таких структурообразователей - пектины, кислые или щелочные растворы белков.
Лиотропное гелеобразование осуществляется при концентрировании дисперсных систем, содержащих один или несколько структурообразователей. Примером могут служить технологии сырокопченых колбас, крупки из фарша минтая, сухих гранулированных кормов и продуктов питания.
Изменяя технологические параметры, регулируя тем самым количество зон соединений, можно формировать структуру полисахаридных гелей с заданными реологическими свойствами. Этого можно достичь путем изменения концентрации ионов, повышения или понижения температуры. Например, ионы Са+2 способствуют гелеобразованию альгината, а ионы К+ усиливают гелеобразование каррагинана. Добавление сахара способствует гелеобразованию за счет увеличения зон соединения вследствие незначительного дегидратирования полимера.
При экструдировании смесей, содержащих крахмал, лучшими условиями гелеобразования являются температура 100°С, влажность смеси 23 %. При таких условиях образуется тестоподобная масса, которая в экструдере принимает ламинарное течение; при этом макромолекулы крахмала ориентируются в направлении потока, что способствует образованию поперечных связей, формирующих структуру геля.
Часто процесс формирования элементов структурной сетки геля имеет место и при получении пищевых эмульсий. В технологии эмульсионных продуктов основной задачей является придание устойчивости дисперсной системе в отношении седиментации, коагуляции (флокуляции), коалесценции. Исследованиями физико-химических и реологических свойств эмульсий, стабилизированных различными эмульгаторами, посвящены монографии В.Н. Измайловой, А.А. Абрамзона, Ф.Шермана и др.
В технологии пищевых продуктов применяют два способа воздействия на структуру пищевого продукта.
Первый способ, традиционный, связан с использованием одного изолированного структурообразователя. Под изолированным структурообразователем подразумевается индивидуальное вещество, извлеченное из сырья в результате технологической обработки и представляющее собой коммерческий препарат, соответствующий конкретным требованиям.
Второй способ, получивший развитие в последние 10-15 лет, предполагает введение в пищевые системы двух или более изолированных структурообразователей, т.е. использование их композиций. Например, в производстве мороженого используют каррагинан и карооксиметилцеллюлозу. Каррагинан, обладая способностью взаимодействовать с белками молока, предотвращает отделение сыворотки, в то время как карбоксиметилцеллюлоза обеспечивает вязкость, густоту, ингибирует рост кристаллов льда, обеспечивая мороженому хорошее качество. В дальнейшем состав, включающий два и более структурообразователей, будем называть композиционным структурообразователем.
Согласно современной теории устойчивости эмульсий стабилизация структуры дисперсных систем происходит за счет образования защитных оболочек эмульгаторов наповерхности раздела фаз. Имеются также данные, что стабильность эмульсиям придает наличие глобул с двойным электрическим полем, образующегося на границе раздела адсорбционных оболочек свойства и строение которых различны.
Механизм образования адсорбционных межфазных слоев высокомолекулярными поверхностно-активными веществами (ВПАВ) связан с адсорбцией макромолекул на поверхности раздела фаз их конформационными изменениями, выраженными в развертывании и ориентации гидрофильной части в воду, а гидрофобный – в углеводород. Взаимодействие белков с углеводородами заключается в распределении углеводородами между неполярными областями макромолекул белка и водой, происходящем самопроизвольно и обратимо. Солюбилизация углеводородов макромолекулами белка способствует их большей развертываемости на границе раздела фаз, а, следовательно, и упорядочению адсорбционного слоя. Денатурация белка на границе с углеводородов приводит к возрастанию прочности межфазных слоев.
Это связано с тем, что при добавлении денатурирующих агентов или при повышении температуры разрушается нативная структура глобул, молекулы развертываются, положительно изменяется их гидрофильно-гидрофобный баланс, что и ускоряет процесс образования прочного межфазного слоя. Процесс формирования межфазного адсорбционного слоя развивается во времени и идет за счет образования связей, скрепляющих двумерную пространственную структуру. Причем для одних ВПАВ основными типами связей являются водородные (желатин, поливиниловый спирт), для других – гидрофобное взаимодействие (глобулярные белки).
Таким образом, поверхностно-активные вещества (ПАВ), участвуя в формировании структуры эмульсий, выполняют две функции.
Во-первых, они придают устойчивость эмульсиям за счет образования мономолекулярных адсорбционных слоев, препятствующих коалесценции.
Во-вторых, они образуют в непрерывной фазе вокруг жировых шариков высоковязкие растворы, препятствующие их сближению за счет фиксации в высоковязкой среде.
Первая функция (придает устойчивость эмульсиям) характерна для низкомолеулярных ПАВ, которые не способны образовывать в непрерывной фазе студнеобразные структуры (трехмерные сетки геля). Причем отмечается, что эмульгирующие свойства высокомолекулярных ПАВ не связаны с их студнеобразующими свойствами. Например, ацетилированные поливиниловые спирты - превосходные стабилизаторы эмульсии, хотя не образуют студней, а агар, являясь хорошим студнеобразователем, в качестве стабилизатора эмульсий малоэффективен. Некоторые гидроколлоиды, в частности камедь акации, стабилизируют эмульсии при отсутствии эмульгатора.
Наличие гидроколлоидов (даже в небольшом количестве) в эмульсиях повышает их устойчивость, вследствие замедления скорости движения капель масла. Полисахариды способствуют сгущению (увеличению вязкости) эмульсии вследствие невысокой гибкости и способности образования зон соединения между областями упорядоченной конформации их макромолекул. Гидроколлоиды увеличивают вязкость непрерывной среды пропорционально концентрации. И если на первой стадии сгущения эмульсия обладает тиксотропией, то с повышением концентрации высокомолекулярных ПАВ может наступить такой момент, когда в непрерывной фазе образуется прочная структура геля, не обладающая тиксотропией, а консистенция эмульсии становится пастообразной.
Считается, что повышенную вязкость системы с высоким содержанием эмульгатора и следует связывать (кроме белков) с увеличением его адсорбции вокруг капель масла. Для многих эмульгаторов маловероятно, чтобы адсорбционный слой был больше толщины одной молекулы.
Для придания продукту требуемой структуры применяют не только загустители и эмульгаторы, но и связующие вещества. В пищевых продуктах связывающее клеящее вещество, как правило, полимер – белок или полисахарид – находится между твердыми частицами, поверхности которых образованы также белками, полисахаридами, жирами. Это значит, что в пищевых продуктах имеет место совпадение химической природы клея и склеиваемых материалов. При образовании структуры такой системы развиваются рассмотренные выше процессы адсорбции вещества на границе раздела двух фаз и гелеобразования. В дополнение к ним следует учитывать электростатические силы и диффузионное взаимодействие. Электрические силы взаимодействия возникают вследствие образования двойного электрического слоя при контакте двух поверхностей и их адгезии. Причина его возникновения связана с выравниванием энергетических уровней соприкасающихся тел, с обменом электронами вследствие донорно-акцепторного взаимодействия. Характерно, что двойной электрический слой образуется, прежде всего, при адгезии пленок.
При контакте двух высокомолекулярных веществ происходит их самослипание вследствие диффузии, обусловленной тепловым движением цепных макромолекул с образованием слоя смешивания. Диффузия происходит легче, если оба полимера неполярны и без боковых цепей или оба полярны. В последнем случае взаимодействуют также и полярные группы. Процесс связывания во многом определяется технологическими параметрами, прежде всего давлением, температурой и временем контакта.
Наиболее полно изучены гели, полученные в результате взаимодействия (комплексообразования) между белками и анионными полисахаридами. В результате такого взаимодействия образуются белково-полисахаридные комплексы, обладающие функциональными свойствами (растворимость, поверхностная активность, реологические характеристики), значительно отличающимися от исходных биополимеров. Так, комплексообразование с анионными полисахаридами предотвращает тепловую коагуляцию белка. Комплексы белка с анионными полисахаридами обеспечивают более высокую стабильность эмульсий типа масло/вода, что используют при производстве колбасных изделий.
Как видно, применение композиционных структурообразователей позволяет расширить возможности технологий получения продуктов регулируемой формы и структуры. В связи с этим актуальными являются вопросы совместного использования катионных и анионных полисахаридов (хитозан — агар), различных белков (рыбный желатин и желатин, полученный из теплокровных животных), а также полисахаридов и белков (хитозан — рыбный желатин, агар — рыбный желатин и др.).
Сложность этих вопросов связана с тем, что биополимеры (белки и полисахариды) могут иметь градиенты плотности заряда вдоль цепи молекулы. Одна их часть может быть высокоионной, а другая – высокогидрофобной. В таких системах, как правило, гелеобразование либо подавляется, либо усиливается, а консистенция концентрированного геля может сильно отличаться от консистенции геля, образуемого каждым структурообразователем раздельно.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 988; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!