2.6.2 Пищевые поверхностно-активные вещества

К ним относятся группы веществ, которые при растворении или диспергировании в жидкости, концентрируясь на поверхности раздела фаз, снижают поверхностное натяжение. Поэтому их добавляют к пищевым продуктам для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. Обычно это соединения, молекулы которых имеют дифильное строение, то есть содержат полярные гидрофильные и неполярные гидрофобные группы. Первые (гидрофильные) обеспечивают растворимость в воде, вторые (гидрофобные) – в неполярных растворителях. Соответствующим образом они располагаются на поверхности раздела фаз, рис. 1.

Их основные физико-химические, а отсюда и технологические свойства определяются гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ) их молекул, зависящим от химического строения молекул и соотношения молекулярных масс гидрофильных и гидрофобных групп. Чем выше гидрофильность, тем больше величина ГЛБ и тем ярче проявляется способность молекул поверхностно-активных веществ к стабилизации прямых эмульсий «масло в воде». Эмульгаторы с низким значением ГЛБ стабилизируют эмульсии воды в масле. Для каждого конкретного продукта требуется эмульгатор с оптимальным значением ГЛБ, которое определяется экспериментально.

В качестве первых пищевых эмульгаторов использовали натуральные вещества (камеди, сапонины, лецитин и др.). В настоящее время в индустриально развитых странах производятся тысячи тонн пищевых поверхностно-активных веществ (ПАВ). Они нашли применение практически во всех отраслях пищевой промышленности, рис.7

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

Эмульгаторы получают посредством реакции между жиром и спиртом, имеющим несколько гидроксильных групп, что обеспечивает водо-растворимую фракцию. Жирорастворимая фракция эмульгатора образуется из натуральных масел и жиров (рис. 6), причем основная масса пищевых эмульгаторов в настоящее время основана на растительных маслах, таких, как соевое, пальмовое или подсолнечное.

Водо-растворимая фракция Жирорастворимая фракция

(гидрофильная головная фракция) (гидрофобная хвостовая фракция)

Органические

Кислоты:

Уксусная

Молочная

Лимонная

Винная

Полиолы:

Глицерин

Пилиглицерин

Пропиленгликоль

Сахарозасорбит

Сорбит

Жиры, масла, жирные кислоты:

Животный топленный жир

Лярд

Пальмовое масло

Соевое масло

Рис. 6 Возможные композиции эмульгаторов

КОНДИТЕРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ, ШОКОЛАД, ЖЕВАТЕЛЬНАЯ РЕЗИНКА

ПОЛУФАБРИКАТЫ

МОРОЖЕНОЕ, НАЧИНКИ, ДЕСЕРТЫ, КРЕМЫ ДЛЯ УКРАШЕНИЯ

ХЛЕБ

МАКАРОНЫ, ЛАПША, ЗЛАКОВЫЕ ПРОДУКТЫ

КЕКСЫ, ПЕЧЕНЬЕ, БИСКВИТЫ

МАРГАРИН, ПАСТЫ, КУЛИНАРНЫЕ ЖИРЫ

Рис. 7 Типы пищевых продуктов, при производстве которых применяются эмульгаторы

Основные технологические функции эмульгаторов в пищевых продуктах:

• Диспергирование, в частности эмульгирование и пенообразование

• Солюбилизация

• Смачивание и смазывание

• Пеногашения

• Контроль вязкости

• Комплексообразование с крахмалом

• Взаимодействие с белками

Диспергирование, в частности эмульгирование и пенообразование.

Все эмульгаторы (поверхностно - активные вещества), которые способны снижать поверхностную энергию на границе раздела фаз с образованием устойчивых дисперсных систем, состоящих из внутренней дисперсной фазы и внешней дисперсионной среды. В зависимости от природы диспергируемых фаз возможно образование следующих типов пищевых дисперсных систем таблица 5.

Таблица 5 Типы дисперсных систем в зависимости от диспергируемых фаз

Тип дисперсной системы	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда
Эмульсия	Жидкость	Жидкость
Пена	Газ	Жидкость
Аэрозоль	Жидкость или твердое тело	Газ
Суспензия	Твердое тело	жидкость

Функция эмульгатора проявляется в технологиях маргаринов, соусов, майонезов, салатных заправок. Стабильность эмульсии зависит от ряда отдельных факторов: вязкость дисперсионной среды, электрический заряд, адсорбция твердых частиц на поверхности эмульгируемой фазы, образование мономолекулярного слоя на границе раздела фаз при добавлении эмульгатора.

С поверхностной активностью молекул ПАВ связана также их способность стабилизировать системы с газовой дисперсной фазой в жидкой дисперсионной среде (пены). Эффективность стабилизации водных пен характерна для эмульгаторов, содержащих цепи предельных жирных кислот, в связи с чем их можно использовать в качестве пенообразователей, в то время как эмульгаторы, содержащие цепи непредельных жирных кислот, проявляют свойства пеногасителей. ПАВ применяются в качестве пенообразователей в технологиях различных инстант-продуктов и взбивных масс, а в качестве пеногасителей – в технологиях молочных продуктов.

Введение эмульгаторов в пищевые суспензии способствует смачиванию твердых частиц, что, в свою очередь, облегчает образование однородного продукта, например шоколадные напитки.

Солюбилизация. Введение ПАВ в жидкие дисперсные системы улучшает способность образования прозрачных растворов, что является принципиальным для различных жидких пищевых продуктов, содержащих красители и ароматизаторы.

Комплексообразование с крахмалом. Большинство эмульгаторов, молекулы которых содержат ацилы высших жирных кислот, способны к образованию комплексов с растворимой амилозной фракцией крахмала. Такое взаимодействие является важным для замедления процесса черствения хлеба и хлебобулочных изделий, а также для снижения клейкости продуктов, основанных на восстановлении влажности крахмала.

Комплексное воздействие на крахмал с целью снижения комкования, улучшения консистенции и однородности сопровождается изменением текстуры следующих продуктов: макароны, хлебобулочные и кондитерские изделия.

Взаимодействие с белками. Эмульгаторы могут вступать во взаимодействие с белками, что способствует улучшению структурных свойств пищевых продуктов. Например, в хлебе такие ПАВ способны образовывать с пшеничным глютеном комплексы, что приводит к повышению эластичности белков и, как следствие, к увеличению объема хлеба.

Изменение вязкости. Некоторые эмульгаторы при добавлении в пищевые системы, которые содержат кристаллы сахара, диспергированные в жире, способны снижать вязкость системы, адсорбируясь на поверхности частиц гидрофильной природы с образованием гидрофобных оболочек. Эта технологическая функция ПАВ используется, например, для обеспечения текучести расплавленной шоколадной массы.

Смачивание и смазка. Выбор конкретного ПАВ зависит от типа смачивания или природы смачиваемой поверхности – восковой, капиллярной или поверхности порошков. Функция эмульгатора заключается в снижении межфазного натяжения между жидкостью и поверхностью твердых частиц, что обеспечивает более быстрое равномерное распределение жидкости по поверхности твердых частиц. Смачивающие агенты используются при производстве десертных смесей, высушенные распылением; сливок для кофе; завтраков быстрого приготовления; высушенные овощи и др.

Предельные моно-и диглицериды, обладающие способностью предотвращать прилипание некоторых пищевых масс к поверхностям форм, режущих ножей, упаковочных материалов и даже к зубам потребителей, используют в технологии карамельных масс, конфет и жевательной резинки.

Основные группы эмульгаторов

Моно -, диацилглицерины и их производные (Е 471, Е 472а-Е472g)

В группу пищевых добавок глицеридной природы входят неполные ацилглицерины, получаемые в промышленности глицеролизом жиров или этерификацией глицерина высокомолекулярными жирными кислотами, а также продукты их этерификации по первичной гидроксильной группе пищевыми кислотами – уксусной, молочной, винной, лимонной. В качестве пищевых добавок разрешены 7 сложноэфирных модификаций неполных ацилглицеринов.

По своим технологическим функциям пищевые добавки глицеридной природы являются эмульгаторами и стабилизаторами пищевых дисперсных систем. Введение в структуру глицеридных молекул ацилов кислот обеспечивает формирование новой технологической функции комплексообразователей.

Применение моно-и диацилглицеринов в хлебопечении улучшает качество хлеба, замедляет процесс черствения, в макаронной промышленности позволят механизировать процесс, повысить качество изделий (макароны перестают быть клейкими). В производстве маргаринов и майонезов добавки глицеридной природыоказывают эмульгирующее, стабилизирующее и пластифицирующее действие.

Фосфолипиды (Е322, Е442). Наиболее популярными в этой группе являются природные лецитины (Е322), имеющие синтетический аналог под названием аммониевые фосфатиды (Е442).

Лецитин - это смесь фрак­ций фосфолипидов, полученных фи­зическими методами из животных или растительных объектов. Они также включают продук­ты гидролиза, полученные с помо­щью безвредных энзимов.

Самым основным источником получения ле­цитина служит соевое масло, но есть и другие растительные источники, такие, как зерно кукурузы, подсолнечник, хлопчатник, арахис, рапс и животные источники, например яичный желток. Лецитин получается в процессе гидратации масла. Качество сырого лецитина зависит от качества исход­ного сырья и от самого процесса гидратации. Необходимо учитывать тот факт, что лецитин при тем­пературе выше 70°С является термически не­стабильным.

В состав сырого соевого лецитина входит около 60-70 % полярных липидов (фосфолипиды и гликолипиды), 28-35 % соевого мас­ла, менее 1% влаги. Кроме того, в нем содержатся углеводы, сте­ролы. токоферолы и пигменты. Наиболее интересные компонен­ты лецитина - фосфолипиды, обеспе­чивающие его эмульгирующие свой­ства. Основные составляющие соево­го лецитина - это фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозитол и фосфатидилсерин.

Для соевого леци­тина всегда характерно довольно вы­сокое содержание фосфатидилхолина (порядка нескольких процентов). Со­держание фосфатидилхолина в яич­ном желтке исключительно вы­соко, и это объясняет некоторые уникаль­ные свойства яиц применительно к хлебопечению в качестве эмульга­тора. Причиной, по которой яйца, и особенно яичный желток, трудно за­менить, является высокий уровень взаимодействия фосфатидилхолина с некоторыми белками яичного желтка.

Сравнивая триглицериды, моно- и диглицериды, фосфолипиды и лецитины, обнаруживаем поразительно похожие структуры, особенно если это лецитины гидролизованные. Поэтому нет ничего странного в том, что их свойства и применение также имеют много об­щего. Два самых масштабных приме­нения - это выпечка и эмульгирование. Лецитин обладает уникальными свойствами для смазки и пластифи­кации благодаря своей фосфорилированной природе. Гидролизованный лецитин имеет несколько преимуществ. Большая гидро­фильность, зависящая от степени гидролиза, позволяет использовать такие лецитины в кремовых эмуль­сиях и маргаринах для жарки. Структура, подобная моноглицеридам, только с одной жирной кисло­той, более эффективна для исполь­зования в выпечке для получения мягкости продукции и большего сро­ка хранения.

Существует много различных ти­пов лецитинов: очищенный, обезжиренный, гидролизованный, фракци­онированный. Раз­личные процессы, применяемые к ле­цитинам, создают специально задан­ные свойства для эмульсий от «вода в масле» (маргарины) до «масло в воде» (кремы). Однако, пользуясь шкалой ГЛБ, надо помнить, что она не учи­тывает взаимодействия с другими пищевыми компонентами (напри­мер, казеинатами) и не может характеризовать такие процессы, как взаимодействие с крахмалом в выпечных изделиях, сниже­ние вяз­кости в шоколадных продуктах и свойства смазки при жарке и вы­печке.

Область использования лецити­нов чрезвычайно широка: в произ­водстве маргарина, шоколада, хлебо­булочных и мучных кондитерских изделий, бисквитов, соусов. Во всех перечисленных продуктах лецитин имеет явные преимущества по срав­нению с синтетическими ингреди­ен­тами.

Эмульгаторы, или хлебные улучшители, в целом решают задачу облегчения процесса выпечки. Они улучшают кондицию теста, продле­вают сроки хранения, позволяют по­лучать больший объем выпечки, улучшают структуру мякиша и ко­рочки, запах и вкус. Рассмотрим влияние лецитина на качество хлебобулочных и кондитерских изделий.

Пшеничная мука содержит около 2-3 % липидов, большая часть кото­рых является полярными липидами (фосфолипиды, лизофосфолипиды и гликолипиды). Они наиболее эффективно воздей­ствуют на качество хлеба. Лецитин с высокой степенью гидролиза (лизолецитин) играет очень важ­ную роль на различных стадиях хлебопе­чения: эмульгирование жира в тесте; распределение газовых пузырьков, образующихся в процессе дрожжево­го брожения; диспергирование час­тиц крахмала и других нерастворимых компонентов; облегчение гидра­тации белков. Лецитин способствует взаимодействию между глиадином и глютенином, образует комплекс с амилозой и комплексы с ионами ме­талла.

Реологические свойства теста чрезвычайно важны, поскольку они влияют на перерабатываемость, спо­собность к машинной обработке и качество конечного продукта. Хоро­шо известно, что эмульгаторы спо­собствуют непосредственному кон­такту между различными компонен­тами и облегчают замес теста. Ле­ци­тин, особенно лизолецитин, дает раз­личные преимущества при замесе: уменьшает время замеса, при­дает тесту однородность и растяжимость, позволяет работать с тестом при бо­лее высоких температурах. Лецитин взаимодействует с различными ком­понентами в тесте. Белок связывает­ся с гранулами крахмала через леци­тин, а глиадин и глютенин формиру­ют комплекс через лецитин, где по­лярные липиды связы­ваются гидрофильными связями с глиадином с по­мощью Ван-дер-Ваальсовых сил взаимодействуют с глютенином.

При использовании стандартной пшеничной муки лецитин дает более высокую устойчивость теста без по­тери свойств растяжимости. Лизолецитин еще больше усиливает этот эффект.

Один из наиболее важных эффек­тов улучшителя - это усиление структуры теста, позволяющее избежать потерь газа и, как следствие, оседа­ния теста. Эмульгирующий эффект лецитина обусловлен связями, ко­то­рые стабилизируют структуру клей­ковины и увеличивают газоудержа­ние. Так, лецитин, и особенно лизолецитин, снижают пористость, позво­ляют получать большой объем при расстойке и распределять газовые пузырьки равномерно.

В таблице 6 показаны результаты, по­лученные при использовании лизолецитина в сравнении с конт­роль­ным вариантом (без лизолецитина).

Лизолецитин дает различные пре­имущества в процессе выпечки: вы­сокий подъем теста в печи, превос­ходные цвет и поверхность корочки, нежный мякиш. Кроме того, увеличи­ваются сроки хранения хлеба. Чер­ствение хлеба - это явление комплек­сное, которое включает в себя потерю воды, старение крахмала и снижение клейковины. Хорошо известно, что моноглицериды обладают способностью образовывать комплексные соединения с растворенной амилозой, предусматривающие внедрение жирно-кислотной цепи эмульгатора внутрь спи­ральной структуры амилозы. Как следствие, кристаллизация амилозы замедляется и черствение происхо­дит медленнее. Более того, из-за своего гидрофильного харак­тера лизолецитин может удержи­вать воду и взаимодействовать с клейковиной, увеличивая ее элас­тичность.

Таблица 6 Влияние лизолецитина на объем выпечки

Показа­тель	Без лизо­ле­ци­тина	С ли­золецити­ном (0,5 %)
Объем теста	205	217
Объем хлеба	357	415
Подъем теста при вы­печке	152	197
Увеличение объема при выпечке	37	80

Таким образом, в хлебобулочных изделиях лизолецитин улучшает машинную обработку теста, повышает объем, улучшает структуру мякиша и продлевает сроки хранения. В отли­чие от синтетических эмульга­торов он относится к естественным улучшителям хлеба, что соответствует тенденциям использования нату­ральных продуктов питания.

Лецитин применя­ется в производстве кондитерских изделий, традиционно в вафлях. В таблице 2 приведен рецептура вафель с использованием обезжиренного порошкового леци­тина ШТЕРНПУР ПМ в дозировке 0,3-1,5 %, рассчитанной по муке и крахмалу.

Добавление лецитина сказывает­ся на начальном увеличении вязкости теста с последующим ее снижени­ем даже ниже исходного значения. Это, вероятно, обусловлено сначала адсорбцией воды лецитином с после­дующим эффектом пластификации при перемешивании. рН среды уменьшает­ся слабо, что, возможно, снижает покоричневение. Удельный объем ва­фель уменьшается, стабильность ли­стов возрастает. Это может быть обус­ловлено большей гомогенностью сме­си и более тонкой и более однородной пористой структурой. Поверхность вафель выглядит более гладкой. Еще один дополнительный эффект от ис­поль­зования лецитинов проявляется при промышленной выпечке вафель - улучшается их отделение от про­тив­ней.

Таблица 7 Рецептура вафель

Ингредиент	Количество, г
Пшеничная мука	750
Крахмал	250
Подсолнечное масло	40
Сахароза	20
Соль	2
Карбонат натрия	2,5
Белок молочной сыворотки	40
Вода	1400
ШТЕРНПУР ПМ	3-15

Использование 2 % высушенного распылением лецитина марки ЛЕЦИФЛО 60 для производства вафельных рожков для мороженого позволило, получить са­мые качественные рожки с лучшей стабильностью, текстурой и макси­мальным выходом годных к упот­реб­лению.

Кроме того, лецитин можно использовать для получения песочного печенья с пониженным содер­жанием жира. В обычных рецептурах с высоким содержанием жира лецитин обеспечивает хорошую дисперсию шор­тинга в процессе приготовления теста. При снижении количества жира на 30 % из соображений умень­шения себестоимости или для получения продукта здорового питания лецитин позволя­ет получать лег­кое печенье. Однако, при снижении содержания жира происходит сильное налипание тес­та, что очень плохо для машинной обработки. Добавление обезжирен­ного лецитина марки ШТЕРНПУР ПМ снижает налипаемость до нор­маль­ного уровня.

Лецитины обеспечивают комплек­сную хлебопекарную функциональность, эмульгирование, смачивание порошковых продуктов, выполняют функции смазки. Лецитин как сма­зывающий агент позволяет снизить поверхностное напряжение, модифи­цирует реологические свойства на границе масло - нагреваемые повер­хности. Смазывающий агент на мас­ляной основе для обработки против­ней, грилей, экструдеров содержит 2-10 % лецитина. Смазывающий агент на водяной основе для ленты конвей­ера в процессе не­прерывной жарки включает 10 % гидрофильного леци­тина.

Эфиры полиглицерина (Е475). По химической природе добавки этой группы представляют собой сложные эфиры жирных кислот с полиглицерином. Их применение связано с технологическими функциями эмульгаторов. Основные объекты использования – хлебопекарные и кондитерские изделия, а также маргариновая продукция. ДСП эфиров полиглицерина не должно превышать 25 мг на 1 кг массы тела человека.

Эфиры сахарозы (Е473). По химической природе они представляют собой смесь моно-, ди-, и триэфиров сахарозы с природными высшими жирными кислотами. Применение эфиров сахарозы в пищевой промышленности связано с технологическими функциями эмульгаторов, образующих и поддерживающих в однородном состоянии смеси не смешиваемых фаз в широком диапазоне качественного и количественного составов. В связи с этим спектр применения этих добавок очень широкий – от пищевых эмульсий до структурированных систем.

Эмульгирующие и влагоудерживающие свойства эфиров сахарозы эффективны в технологии майонезов, маргаринов, соусов, диетических молочных продуктов, мороженого. Введение этих добавок в рецептуры хлебобулочных и мучных кондитерских изделий замедляет процессы их черствения, улучшает структуру продукта. Поверхностная активность эфиров сахарозы в пищевых суспензиях проявляется в изменении реологических свойств последних и влияние на консистенцию продукта.

Эфиры сорбита (Е491-Е496). Эта группа пищевых добавок представляет собой сложные эфиры шестиатомного спирта сорбита с природными высшими жирными кислотами.

Коммерческие препараты эфиров сорбитана выпускаются под фирменными наименованиями «СПЕНы». Области использования в пищевых продуктах связаны с технологическими функциями эмульгаторов. ДСП для этих добавок составляет 25 мг на 1 кг массы тела.

Производные карбоновых кислот и высших жирных спиртов

К ним относятся сложные эфиры высших жирных спиртов с четным числом атомов углерода с янтарной, винной, лимоннной и ацетиллимонной кислотами.

Они применяются во всех отраслях пищевой промышленности.

Стеароилмолочная кислота и ее соли (Е482). В эту группу ПАВ входят производные молочной кислоты с высшими жирными кислотами. Добавки этой группы применяются для производства кондитерских и хлебобулочных изделий, мроженого.

В последние годы большое внимание уделяется стабилизационным системам, включающим несколько компонентов: эмульгаторы, стабилизаторы, загустители. Их качественный состав, соотношение компонентов могут быть весьма разнообразными и зависят от характера пищевого продукта, его назначения, технологии приготовления, условий хранения, способа реализации. Стабилизационные системы широко применяются в общественном питании, при производстве супов (сухие, консервированные, замороженные), соусов ( майонезы, томатные), бульонных продуктов.