Гелеобразователи

 

Введение

Гелеобразователи — это соединения, придающие конечному продукту свойства геля (т.е. структурированной высокодисперсной системы с жидкой дисперсионной средой, заполняющей каркас, который образован частицами дисперсной фазы), а так же позволяют получать пищевые продукты с нужной консистенцией, улучшают и сохраняют структуру продуктов, оказывая при этом положительное влияние на вкусовое восприятие. Благодаря способности связывать воду гелеобразователи стабилизируют дисперсные системы: суспензии, эмульсии, пены.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Гель (желе) представляют собой дисперсную систему, при этом дисперсионной средой является жидкость. В пищевых системах это обычно вода, и гель носит название гидрогеля. Дисперсной фазой является желеобразователь, полимерные цепи которого образуют поперечно сшитую сетку. Вода в такой системе физически связана и теряет подвижность. Следствием этого является изменение консистенции пищевого продукта. Структура и прочность пищевых гелей, полученных с использованием разных гелеобразователей, могут сильно различаться.

     1.1 Молекулы гелеобразователя связаны в трёхмерную сетку и тоже не обладают той подвижностью, которая есть у молекул загустителя в высоковязких растворах. Чёткое разграничение между гелеобразователями и загустителями, однако, невозможно. Обе группы веществ представляют собой макромолекулы с гидрофильными группами, которые вступают в физическое взаимодействие с имеющейся в продукте водой.

    1.2 Структура и прочность пищевых гелей могут сильно различаться, например «нежный» эластичный желатиновый гель совсем не похож на «короткий» ломкий непрочный каррагинановый. За исключением желатина (животный белок), гелеобразователи являются углеводами (полисахаридами) растительного происхождения, растительными гидроколлоидами. Их получают из наземных растений или водорослей.

     1.3 По химической природе гелеобразователи являются кислыми полисахаридами с остатками серной кислоты. Гель практически является закреплённой формой коллоидного раствора, золя. Для превращения золя в гель необходимо, чтобы между распределёнными в жидкости молекулами начали действовать силы, вызывающие межмолекулярную сшивку.

       Это может происходить по-разному:

- снижением количества растворителя за счёт испарения;

- понижением растворимости распределённого вещества за счёт химического взаимодействия;

- добавкой веществ, способствующих образованию связей и поперечной сшивке;

- изменением температуры и регулированием величины рН.

     Гелеобразователи - 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.  
 
     Для протекания процесса поперечной сшивки необходимо наличие активных или активированных групп (ОН, СООН) в определённых положениях.

     Механизмы желирования различных гелеобразователей также могут сильно различаться. Сравним механизмы желирования высоко- и низкоэтерифицированных пектинов.

      Способность желировать у высокоэтери- фицированных пектинов (степень этерифи- кации > 50 и < 75%, молекулярная масса > 10 000 и < 300 000) основана на свойстве линейных молекул образовывать трёхмерную полимерную сетку в присутствии воды, кислоты и сахара.

1. 4 Межмолекулярные связи представлены водородными мостиками, свободные сегменты молекул сильно гидратированы. Присутствие определённого количества кислоты необходимо для подавления диссоциации свободных карбоксильных групп. Таким образом, 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 лёгкому  сближению зон связывания.

     Низкоэтерифицированные пектины (степень этерификации < 50%), как и другие ионные гелеобразователи, желируют в присутствии определённых 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 (Са++).  
 
     Причём 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.

     2 Гелеобразователи не являются эмульгаторами

     В их молекулах отсутствуют  липо- фильные и гидрофильные группы, однако некоторые гелеобразователи стабилизируют эмульсии. В первую очередь это относится к альгинатам, поэтому их обычно используют в кисломолочных продуктах, подвергаемых пастеризации.  
     При совместном использовании различных гелеобразователей возможно проявление эффекта синергизма, взаимного усиления.

     Гелеобразователи могут выполнять функции стабилизаторов пены и средств для обработки виноматериалов.

     2.1 Области применения гелеобразователей : мармелады, желе, варенья, фруктовые наполнители, жевательные конфеты, жевательная резинка, прали- новые и другие кондитерские массы, низкокалорийные продукты, кисломолочные продукты, низкокалорийные масла, какао и шоколадные напитки, молочно-фруктовые напитки, молоко, сливки и сгущённое молоко и сливки, мороженое и другие молочные десерты, пудинги, сыры, плавленые сыры и продукты их переработки, быстрозамороженные продукты, особенно рыба, заливки для овощей, мяса или рыбы, студень, фарше- вые мясо- и рыбопродукты, новые продукты на основе эмульсий.

     Гелеобразователи, разрешённые к применению при производстве пищевых продуктов в РФ.

     Е400 альгиновая кислота, Е401-404 альгинаты натрия, калия, аммония, кальция, Е406 агар, Е407 кар- рагинан и его натриевая, калиевая, аммонийная соли, включая фурцеллеран, Е407а каррагинан из водорослей Euchema, E410 камедь рожкового дерева, Е411 овсяная камедь, Е415 ксантан, Е416 карайи камедь, Е418 геллановая камедь, Е425 камедь коньяку, Е440 пектины, Е461 метилцеллюлоза, Е464 гидроксипропилметилцеллюлоза, Е465 этилметилцел- люлоза, Е467 этилгидроксиэтилцеллюлоза, Е1405 крахмал, обработанный ферментными препаратами, желатин, Е1401 крахмал, обработанный кислотой, Е1402 крахмал, обработанный щёлочью, Е1405 крахмал, обработанный ферментными препаратами, Е1410 монокрахмалфосфат, Е1412 дикрахмалфос- фат, этерифицированный тринатрийметафосфатом;

этерифицированный хлорокисью фосфора, Е1413 фосфатированный дикрахмалфосфат «сшитый», Е1414 ацетилированный дикрахмалфосфат «сшитый», Е1420 ацетатный крахмал, этерифицированный уксусным ангидридом, Е1421 ацетатный крахмал, этерифицированный уксусным ангидридом, Е1422 ацетилированный дикрахмалоадипат, Е1423 ацетилированный дикрахмалоглицерин, желатин.

     Гелеобразователи, не имеющие разрешения к применению при производстве пищевых продуктов в РФ. Е408 гликан пекарских дрожжей.

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. Этого можно добиться разными  способами: снижением количества растворителя за счет испарения; понижением растворимости  распределенного вещества за счет химического  взаимодействия; добавкой веществ, способствующих образованию связей и поперечной сшивке; изменением температуры.

Начало желирования сопровождается замедлением броуновского движения частиц дисперсной фазы (возрастанием вязкости), их гидратацией и образованием полимерной сетки. Способность полимеров образовывать полимерную сетку зависит от длины и числа линейно ориентированных участков их молекул, а также наличия боковых цепей, создающих стерические затруднения при межмолекулярном взаимодействии. Механизмы образования гелей могут сильно различаться; в настоящее время выделяют три основных механизма: сахарокислотный (высокоэтерифицированные пектины), модель «яичной упаковки» (например, низкоэтерифицированные пектины) и модель двойных спиралей (например, агар).

 

 

 

 

Таблица-1 Классификация гелеобразователей полисахаридной природы в зависимости от источников получения

Источник получения	Форма выделения, тип продукта	Основные представители
Высшие растения	Нерастворимая основа	Целлюлоза
	Семена	Крахмалы, камеди гуаровая и рожкового дерева
	Экстракты	Пектины
	Экссудаты	Гуммиарабик, камед, трагакант
Морские водоросли	Экстракты	Агар, альгинаты, каррагинаны фурцеллеран
Микроорганизмы	Продукты  ферментации	Ксантаны
Производные растительных полисахаридов	Продукты  модификации целлюлозы	Е461-Е469
	Продукты модификации крахмалов	Е1400—Е1451

 

По химической природе гелеобразователи (таблица 1) 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) — гелеобразователи 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 гелеобразователи — 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 (экссудаты, 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 семян рожкового дерева Е410, овсяная камедь Е411, гуаровая камедь Е412 и камедь тары Е417.

По химическому строению гелеобразователи представляют собой кислые полисахариды с остатками серной кислоты (например, агар Е406 и каррагинан Е407).

Гелеобразователи выпускаются в виде порошков, стандартизованных с помощью инертных наполнителей (чаще всего сахара) по вязкости 1 %-ного раствора (например, гуаровая камедь) или по прочности стандартного геля (например, агары, желатины, пектины). При этом гелеобразователи используют в виде водных растворов или вносят в водную фазу пищевого продукта, поскольку непременным условием их действия является растворение в холодной воде или диспергирование в холодной воде с последующим растворением в горячей. При растворении или диспергировании могут образовываться комки, что вызывается высокой влагоудерживающей способностью гелеобразователей. Для предотвращения комкования рекомендуется перед растворением (диспергированием) смешать добавку с 7...10-ти кратным количеством рецептурного количества сахара-песка или других сухих компонентов. Не рекомендуется готовить водные растворы гелеобразователей заранее. Водные растворы гидроколлоидов являются исключительно благоприятной средой для развития микроорганизмов. Не случайно питательными средами в микробиологии являются агаровые и желатиновые студни.

 

Таблица-2 Взаимосвязь различных единиц прочности студня

Загуститель	Прочность студня
	по Блуму, г/см2	по Валенту, г
Желатин	150	500
	200	800
	250	1100
	280	1300
Агар	600	1400
	700	1800
	800	2200
	900	2600
	1000	2800

 

      Гелеобразователи обычно используют в виде водных растворов или вносят в водную фазу пищевого продукта, поскольку непременным условием их действия является растворение в холодной воде или диспергирование в холодной воде с последующим растворением в горячей. При растворении или диспергировании могут образовываться комки, что вызывается высокой влагоудерживающей способностью гелеобразователей.

     Для предотвращения комкования рекомендуется перед растворением (диспергированием) смешать добавку с трёх-пятикратным количеством рецептурного количества сахара-песка или других сухих компонентов.

      Не рекомендуется готовить водные растворы гелеобразователей заранее. Водные растворы гидроколлоидов являются исключительно благоприятной средой для развития микроорганизмов. Не случайно питательными средами в микробиологии являются агаровые и желатиновые студни.

 

При совместном использовании  двух и более гелеобразователей возможно проявление синергического эффекта: смеси загущают сильнее, чем можно было бы ожидать от суммарного действия компонентов.

Таблица – 3 Стабильность гелей

Условия гелеобразования	Стабильность гелей
При подкислении	При pH < 4 или в присутствии ионов Са2+
При температуре ниже 32...39°С	При pH > 4,5 термообратимы, устойчивы к кислотам
Прочных гелей не образует
При температуре ниже 49-55°С, в присутствии ионов Са2+	При pH > 3,8 термообратимы, стабильны при замораживании/оттаивании
При температуре ниже 49-55°С, в присутствии ионов К+	При pH > 3,8 термообратимы, нестабильны при замораживании/оттаивании
В смеси с к-каррагинаном, ксантаном	Не желирует
В смеси с камедью рожкового  дерева
При охлаждении	Устойчив к разрезу, склонен к синерезису
При pH < 4 и содержании сухих веществ в системе 55-80%, при температуре ниже 60..90°С	Термонеобратимы
В присутствии ионов Са2+ (> 200 мг/л), При температуре ниже 60...40°С	Термообратимы
При температуре ниже 30°С