Способи регулювання структури продуктів.

Регулювання структури. Структура або внутрішній устрій харчових продуктів в найбільш короткому викладі – є взаєморозташування її складових частин і зв'язок між ними.

Тип структури і механічні властивості харчових продуктів визначають їх консистенцію – одну з найбільш складних і важливих сенсорних характеристик харчових продуктів. По класифікації П. А. Ребіндера структура харчових продуктів може бути представлена двома типами.

Перший, найбільш поширений, тип структур коагуляційні структури, що утворюються в результаті зчеплення часток Ван-дер-ваальсовими силами. Ці структури мають малу міцність внаслідок наявності тонких стійких прошарків рідкого середовища в ділянках зчеплення елементів коагуляційної сітки, що перешкоджає зближенню часток. Характерною особливістю цих структур є тиксотропія.

Другий тип – конденсаційно-кристалізаційні структури, що утворюються внаслідок безпосереднього фазового контакту; у них відсутні рідкі прошарки у вузлах зчепленні просторової сітки. Такі структури мають більшу міцність, чим коагуляційні, і є нетиксотропними просторовими сітчастими утвореннями, що безповоротно руйнуються.

У технології харчових продуктів важлива роль відводиться дисперсним і колоїдним системам і їх властивостям.

Колоїдні системи отримують, як правило, двома способами: диспергуванням - дробленням великих часток грубодисперсних систем до колоїдної дисперсності; конденсацією, з'єднанням атомів, іонів або молекул в більші частки колоїдних розмірів. Необхідними умовами утворення колоїдних систем є: нерозчинність речовини дисперсної фази в дисперсійному середовищі; досягнення частками дисперсної фази колоїдної дисперсності; наявність стабілізатора, що забезпечує колоїдній системі агрегативную стійкість.

В ролі стабілізаторів часто виступають речовини, що є природними полімерами – білки і полісахариди. Їх розчини за своїми властивостями аналогічні колоїдним системам, але на відміну від золів вони утворюються мимоволі внаслідок повільного набрякання і розчинення.

Структуроутворювачі вносять до складу створюваних продуктів з різними технологічними цілями: для загущення, емульгування, водоутримання, піноутворення, флокуляції, седиментації, запобігання синерезису, інгібірування кристалізації і черствління, дегазації, коалесценції і т. д.

Тому кожен структуроутворювач повинен мати певні функціональні властивості, які обумовлюють напрями його використання: драглеутворювач, загусник, емульгатор, піноутворювач, єднальна речовина і плівкоутворювач.

Драглеутворювачі – це речовини, здатні формувати за певних умов (концентрація, температура та ін.) тривимірні структури гелю, що відносяться до конденсаційно-кристалізаційних нетиксотропних структур. До драглеутворювачів відносять агар, желатин, солі альгінових кислот, каррагінани, білок у складі м'ясного і рибного фаршу (суріми) та ін.

Загусники – речовини, що утворюють у воді високов'язкі розчини. З підвищенням концентрації в'язкість розчинів зростає, і при певних значеннях структура системи може перейти з коагуляційної в конденсаційно-кристалізаційну. Це означає, що усі драглеутворювачі можуть бути загусниками. Наприклад, каррагінани, використовувані для зміни властивостей реологій продуктів харчування, залежно від дозування і умов можуть утворювати усі проміжні стадії отриманої структури - від слабких тиксотропних до структури гелю. Типовими представниками загусників є мікрокристалічна целюлоза і прості ефіри целюлози.

Емульгатори – речовини, що зменшують поверхневе натягнення і здатні утворювати адсорбційні шари на межі розділу фаз. Емульгатори можна умовно розділити на дві групи.

Перша група – речовини, які сприяють емульгуванню, утворюють адсорбційні шари, але не формують структурну сітку гелю або хоч би її елементи, т. е. не мають ефекту згущування (лецитин, жирні кислоти і їх солі та ін.). При використанні таких речовин в технології харчових продуктів часто виникає потреба введення до складу продукту спеціальних загусників.

Друга група емульгаторів – це високомолекулярні поверхнево-активні речовини (ВПАР), здатні на зовнішній поверхні крапель жиру утворювати колоїдні адсорбційні шари, а в безперервній фазі формувати структурну сітку гелю, Тому емульгатори ВПАР одночасно є і загусниками (желатин, альгінат, яєчний білок та ін.). Проте слід зазначити, що високомолекулярні з'єднання, які утворюють гелі, але не є поверхнево-активними речовинами, не можуть стабілізувати емульсії.

При отриманні емульсій використовують іоногенні і неіоногенні емульгатори. Високомолекулярні з'єднання відносять до неіоногенних емульгаторів, дифільні молекули яких складаються з вуглеводневого радикала і вуглеводневого ланцюга з розташованими по усій її довжині полярними, але нездібними до іонізації групами, найчастіше гідроксильними. Молекули іоногенних емульгаторів (мила) містять іоногенні полярні групи. Залежно від електричного заряду іоногенної гідрофільної групи розрізняють аніоно- і катіоноактивні емульгатори.

У технології харчових продуктів важливе застосування передусім неіоногенних емульгаторів як природних компонентів продуктів харчування.

Піноутворювачі – це речовини, здатні утворювати захисні адсорбційні шари на поверхні розділу рідкої і газоподібної фаз. Вони виконують дві функції: сприяють при диспергуванні газу в рідині утворенню піни і забезпечують стійкість її структури. Як правило, емульгатори є і піноутворювачами, причому кращі з них - білки.

Єднальні речовини, або харчові клеї, – це речовини, що мають високу адгезійну здатність по відношенню до поверхні часток харчових продуктів і що зв'язують за рахунок цього їх в єдине ціле. Найбільш типовими представниками єднальних речовин є хітозан, карбоксиметилцелюлоза, тонко подрібнена м'язова тканина риби, м'яса, птаха.

Плівкоутворювачі – високомолекулярні речовини, розчини яких, маючи відповідну в'язкість і адгезію, при формуванні через філь’єри заданого профілю фіксуються у вигляді плівок. При формуванні плівок використовують два методи: сухий, заснований на випарі розчинника, і мокрий, при якому плівку фіксують в осаджувальній ванні. У технології харчових продуктів в якості плівкоутворювачів широко застосовують желатин і альгінат натрію, амілопектин крохмалю.

Сутність процесу гелеутворення.Перехід колоїдного розчину зі вільнодисперсного стану у зв'язнодисперсне називається гелеутворенням, а структурована колоїдна система, що утворюється при цьому, - гелем.

Завдяки характерній м'якій, ніжній, еластичній консистенції гелі здавна використовують в харчових продуктах. Гелі можуть містити до 99 % води і в той же час проявляти властивості, характерні для твердого стану, зокрема мати еластичність і жорсткість, зберігати певне просторове положення (форму). Їх властивості є наслідком тривимірного переплетення макромолекул білків або полісахаридів, що заповнюють об'єм, зайнятий гелем.

У розчинах білків за певних умов відбувається конформаційний перехід макромолекул, внаслідок чого утворюються їх агрегати, що є частками дисперсної ліофільної фази. При збільшенні числа таких часток виникають контакти між ними і утворюється об'ємна структура гелю, що забезпечує системі відповідні механічні властивості (в'язкість, міцність, пружність, еластичність).

При формуванні структури гелів утворюються різні типи зв'язків: водневі за участю пептидних груп ланцюгів; гідрофобні між полярними групами; дисульфідні за наявності сірковмісних амінокислот.

Тому індивідуальні особливості кожного виду білку (склад і послідовність в поліпептидному ланцюзі амінокислот, спіралізація і просторове укладання), а також зовнішні умови (рН, температура, присутність іонів, концентрація) визначають тип взаємодії і відповідно впливають на процес структуроутворення і властивості структур.

Роль полісахаридів в структуроутворенні.Особливості будови полісахаридів обумовлюють відмінність процесів їх структуроутворення від білкових систем. Полісахариди на відміну від білків мають менш виражену третинну структуру і меншу рухливість макромолекул, зустрічаються в природі у вигляді щільно упакованих, строго впорядкованих ланцюгів (наприклад, амілаза і амілопектин в зернах крохмалю). При гелеутворенні полісахаридів формуються структури трьох типів: спіралі, рифлені стрічки і щільно укладені стрічкові структури, наприклад целюлоза.

Багатократне повторення моносахариду створює закручування полімерного ланцюга у вигляді подвійної спіралі. Один виток спіралі утворюється приблизно шістьма моносахаридними елементами. Така подвійна спіраль виходить внаслідок утворення водневих зв'язків. Подібний вид структури характерний для гелів крохмалю, каррагінану. Гелі агару мають вільну сітчасту структуру, що складається з довгих ланцюгів макромолекул, що утримуються разом у ряді зон двоспіральних з'єднань.

Структури рифлених стрічок характерні для альгінатов і пектинів. Ланцюги макромолекул, упаковані в такій конфігурації, мають пори або порожнини, що відповідають розміру повного радіусу Са⁺². Гелеутворення в цих структурах відбувається інтенсивно при заповненні пір іонами кальцію. У альгінатних гелях ділянки рифлених стрічок утворені з D-мануронової і L -глюкуронової кислот, сполучених глікозидними зв'язками.

Пектин, взаємодіючи з кальцієм, утворює гель за тих же умов, що і альгінат. Взаємодія відбувається між сегментами двох ланцюгів галактуронової кислоти, і сполучні зони містять 30-5000 мономірних одиниць залежно від міри етерифікації пектину.

Методи гелеутворення.При виробництві продуктів заданої форми і структури використовують в основному три методи гелеутворення: термотропне, іонотропне і ліотропне.

Гелеутворення термотропне спостерігають при нагріванні або охолодженні рідкої (тиксотропною) системи, що містить один або декілька структуроутворювачів.

Іонотропне гелеутворення відбувається при зміні іонного складу системи, наприклад концентрації іонів водню, кальцію, натрію та ін.

Воно характерне для таких структуроутворювачів - пектини, кислі або лужні розчини білків.

Ліотропне гелеутворення здійснюється при концентрації дисперсних систем, що містять один або декілька структуроутворювачів. Прикладом можуть служити технології сирокопчених ковбас, крупки з фаршу минтаю, сухих гранульованих кормів і продуктів харчування.

Змінюючи технологічні параметри, регулюючи тим самим кількість зон з'єднань, можна формувати структуру полісахаридних гелів із заданими властивостями реологій. Цього можна досягти шляхом зміни концентрації іонів, підвищення або пониження температури. Наприклад, іони Са⁺² сприяють гелеутворенню альгінату, а іони К⁺ посилюють гелеутворення каррагінану. Додавання цукру сприяє гелеутворенню за рахунок збільшення зон з'єднання внаслідок незначної дегідратації полімеру.

При екструдуванні сумішей, що містять крохмаль, кращими умовами гелеутворення є температура 100°С, вологість суміші 23 %. За таких умов утворюється тестоподобная маса, яка в екструдері приймає ламинарное течію; при цьому макромолекули крохмалю орієнтуються у напрямі потоку, що сприяє утворенню поперечних зв'язків, що формують структуру гелю.

Часто процес формування елементів структурної сітки гелю має місце і при отриманні харчових емульсій. У технології емульсивних продуктів основним завданням є надання стійкості дисперсній системі відносно седиментації, коагуляції (флокуляции), коалесценції.

У технології харчових продуктів застосовують два способи дії на структуру харчового продукту.

Перший спосіб, традиційний, пов'язаний з використанням одного ізольованого структуроутворювача. Під ізольованим структуроутворювачем мається на увазі індивідуальна речовина, витягнута з сировини в результаті технологічної обробки і що є комерційним препаратом, що відповідає конкретним вимогам.

Другий спосіб, що отримав розвиток в останні 10-15 років, припускає введення в харчові системи двох або більше ізольованих структуроутворювачів, тобто використання їх композицій. Наприклад, у виробництві морозива використовують каррагинан і карбоксиметилцеллюлозу. Каррагинан, маючи здатність взаємодіяти з білками молока, запобігає відділенню сироватки, тоді як карбоксиметилцелюлоза забезпечує в'язкість, густину, інгібірує ріст кристалів льоду, забезпечуючи морозиву хорошу якість.

Надалі склад, що включає два і більше структуроутворювачів, називатимемо композиційним структуроутворювачем.

Композиційні структуроутворювачі.Якнайповніше вивчені гелі, отримані в результаті взаємодії (комплексоутворення) між білками і аніонними полісахаридами. В результаті такої взаємодії утворюються білково-полісахаридні комплекси, що мають функціональні властивості (розчинність, поверхнева активність, характеристики реологій), що значно відрізняються від початкових біополімерів. Так, комплексоутворення з аніонними полісахаридами запобігає тепловій коагуляції білку.

Комплекси білку з аніонними полісахаридами забезпечують вищу стабільність емульсій типу масло/вода, що використовують при виробництві ковбасних виробів.

Як видно, застосування композиційних структуроутворювачів дозволяє розширити можливості технологій отримання продуктів регульованої форми і структури. У зв'язку з цим актуальними є питання спільного використання катіонних і аніонних полісахаридів (хітозан - агар), різних білків (рибний желатин і желатин, отриманий з теплокровних тварин), а також полісахаридів і білків (хітозан - рибний желатин, агар - рибний желатин та ін.).