Verdickungsmittel haben die Funktionen des Verdickens, Gelierens, Emulgierens und Stabilisierens usw., die die Qualität und das Aussehen von Lebensmitteln verbessern und für einen reichhaltigen Geschmack von Lebensmitteln sorgen können. Sie können die Qualität und das Aussehen von Lebensmitteln verbessern und für einen vollmundigen Geschmack sorgen. Verdickungsmittel sind aus einer Vielzahl von Quellen erhältlich und werden in geringen Mengen zugesetzt, so dass sie zu wichtigen Lebensmittelzusatzstoffen in Lebensmitteln wie Fleisch, Milchprodukten und Teigwaren geworden sind.

Wirkungsmechanismus von Verdickungsmitteln

Verdickungsmittel haben die Fähigkeit, die Rheologie eines Lebensmittelsystems zu verändern, d. h. die für den Fluss charakteristische Viskosität und die für den mechanischen Festkörper charakteristische Textur. Studien haben bestätigt, dass Veränderungen der Textur oder Viskosität von Lebensmittelsystemen zu Veränderungen ihrer sensorischen Eigenschaften beitragen. Im Allgemeinen neigen Verdickungsmittel dazu, in Lösung eine netzartige Struktur oder Kolloide mit mehr hydrophilen Gruppen zu bilden, bei denen es sich um heterogene Gruppen langkettiger Polymere (Polysaccharide und Proteine) handelt, und verbessern so die Viskosität und Textur von Lebensmitteln. Die Haupteigenschaften von Verdickungsmitteln sind Verdickung, Gelierung, Emulgierung, Stabilisierung und Kontrolle des Kristallwachstums von Eis und Zucker sowie andere Effekte.

1.1 Verdickungsprozess
Der Verdickungsprozess beruht auf der strukturierten Gelierung der unspezifischen Verschränkung konformationsmäßig ungeordneter Ketten. Die Viskosität von Polysacchariddispersionen beruht hauptsächlich auf der physikalischen Verschränkung konformationsmäßig ungeordneter Zufallslocken. In Dispersionen mit niedriger Konzentration können sich die einzelnen Moleküle des Verdickungsmittels frei bewegen und zeigen keine Verdickungswirkung. In Systemen mit hoher Konzentration beginnen diese Moleküle miteinander in Kontakt zu kommen, so dass die Bewegung der Moleküle eingeschränkt ist.

Der Grad der Verdickung hängt von der Art des Verdickungsmittels ab, z. B. ergibt sich eine niedrige Viskosität bei hohen Konzentrationen und eine hohe Viskosität bei Konzentrationen unter 1%. Übliche Verdickungsmittel sind Stärke, Xanthan, Guarkernmehl, Akaziengummi, Carrageen, Gummi arabicum und Cellulosederivate.

1.2 Gel-Prozess
1.2.1 Gelbildung
Gel ist eine Materieform zwischen fest und flüssig und weist eine mechanische Steifigkeit auf, so dass das Lebensmittel viskoelastisch ist und die Eigenschaften von Flüssigkeit und Feststoff aufweist. Die texturellen Eigenschaften des Gels (elastisch oder spröde, kaubar oder cremig) variieren je nach Art des Verdickungsmittels, und die sensorischen Eigenschaften des Lebensmittels (Opazität, Mundgefühl oder Geschmack) variieren entsprechend.

Die Kenntnis der Gelierbedingungen einer bestimmten Verdickungsdispersion, der Eigenschaften des entstehenden Gels und der Textur, die es verleiht, ist ein sehr wichtiger Aspekt bei der Entwicklung einer bestimmten Lebensmittelformulierung. Bei der Gelbildung verbinden sich die unregelmäßig verteilten Polymerkettensegmente in der Dispersion zu einem dreidimensionalen Netzwerk, das in den Hohlräumen Lösungsmittel enthält. Zusammenhängende Bereiche, die als Verbindungszonen bekannt sind, können von zwei oder mehr Polymerketten gebildet werden. Der Gelierprozess besteht im Wesentlichen aus der Bildung dieser Verbindungszonen.

Die physikalische Anordnung dieser Verbindungszonen im Netzwerk kann durch verschiedene Parameter wie die Temperatur, das Vorhandensein von Ionen und die inhärente Struktur des Verdickungsmittels beeinflusst werden. Es gibt drei Mechanismen der Gelierung von Verdickungsmitteln, nämlich die ionische Gelierung, die Kaltverfestigung und die thermische Gelierung. Die ionische Gelierung erfolgt durch die Vernetzung von Verdickerketten mit Ionen, in der Regel ein Gelierprozess, der durch negativ geladene Polysaccharidkationen wie Alginat, Carrageen und Pektin vermittelt wird, und die ionische Gelierung durch Diffusionsverfestigung oder interne Gelierung.

Bei kalthärtenden Gelen werden kolloidale Pulver in warmem, kochendem Wasser aufgelöst, um eine Dispersion zu bilden, die beim Abkühlen zu enthalpiestabilisierten Zwischenkettenhelices führt, die einzelne Kettensegmente bilden, wodurch ein dreidimensionales Netzwerk entsteht, wie z. B. Agar und Gelatine. Hitzehärtende Gele erfordern eine Erhitzung des Gels, in der Regel nur dort, wo das Lebensmittel hitzegehärtet werden muss. Der Mechanismus der Thermofixierung erfolgt durch die Entfaltung natürlicher Stärkeproteine und ihre anschließende Umstrukturierung zu Netzwerken.

1.2.2 Die Rolle der Assoziationszonen in Gelen
Die Assoziationszonen spielen eine wichtige Rolle im Gelierungsprozess von Verdickungsmitteln und beeinflussen die Eigenschaften und die Funktion des Gels. Bei Gelatine wird die Assoziationszone von drei Molekülen durch Wasserstoffbrückenbindungen gebildet. Bei Carrageenan bilden sechs bis zehn Moleküle die Assoziationszone, während bei Typ-I-Carrageenan nur zwei Moleküle beteiligt sind. Je höher die Anzahl der Moleküle in der Bindungsregion ist, desto höher ist die Steifigkeit des Gels. Folglich ist der multimolekulare Bindungsbereich von Carrageen des Typs K steif und lässt sich weniger leicht rekonstruieren, wenn er durch Scherung gestört wird, während Carrageen-Gele des Typs I eine flexiblere Struktur aufweisen und weniger empfindlich auf Scherung reagieren. Die Bindungsregion von Carrageen und Alginat besteht aus zwei Molekülen, aber Carrageen-Gele können mehr Verformungen aushalten, bevor sie reißen, als Alginat, das fast die gleiche Festigkeit aufweist.

Auch das thermische Verhalten der Gele unterscheidet sich je nach Assoziationsbereich. Gelatine schmilzt bei niedrigeren Temperaturen, da die Assoziationsbereiche nur durch schwache Wasserstoffbrücken gebunden sind. Die Qualität des Lösungsmittels ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Wasserstoffbrückenbindungen in Pektingelen mit hohem Methoxylgehalt können nur durch den Zusatz von Zucker gebildet werden, der die Wasseraktivität ausreichend reduziert.

1.2.3 Andere Faktoren, die die Gelbildung beeinflussen
Zu den verschiedenen Faktoren, die die Bildung von Gelen aus Verdickungsmitteln beeinflussen, gehören die Konzentration des Geliermittels, der pH-Wert des Mediums, die Molmasse, der Polymerisationsgrad, die Temperatur, die ionische Zusammensetzung und die gelöste Substanz. Neben der Ermittlung der Faktoren, die die Gelbildung aus Verdickungsmitteln beeinflussen, sollten die aus ihnen gebildeten Gele charakterisiert werden, häufig mit Hilfe einer mikrostrukturellen und rheologischen Charakterisierung, die bei der Zugabe von Verdickungsmitteln als Geliermittel hilfreich sein kann. So wurde beispielsweise die Auswirkung des Zusatzes von Saccharose und Aspartam auf die Druckeigenschaften von Verdickungsgelen, d. h. Carrageen vom Typ K, knotengekühltes Gel und Carrageen vom Typ K mit Akazienbohnengummi, untersucht; der Zusatz von Saccharose führte bei all diesen Gelen zu einem Anstieg der wahren Bruchspannung. Der Zusatz von Aspartam in niedrigen Konzentrationen hatte jedoch keinen Einfluss auf die Parameter der Texturkompression.

Darüber hinaus hängen die wichtigsten Determinanten der Gel-Süße mit den mechanischen Eigenschaften der Gele (Gelfestigkeit, Bruchspannung, Bruchdehnung usw.) zusammen, insbesondere mit dem Ausmaß der Verformung, die erforderlich ist, um das Netzwerk aufzubrechen, und mit seiner Verformungsfestigkeit. Darüber hinaus sind Co-Solubilisatoren wie Saccharose, die Konzentration der hydrolysierten Kolloide, die Scherrate und die Temperatur ebenfalls wichtige Variablen, die den rheologischen Zustand des Gels beeinflussen.

Anwendung von Verdickungsmitteln in Lebensmitteln

2.1 Anwendung in der Geleeproduktion
Lebensmittelverdickungsmittel werden bei der Herstellung und Verarbeitung von Gelee häufig in Kombination mit zwei oder mehr Synergieeffekten verwendet, um die beste Wirkung zu erzielen, die das Gelee benötigt. Gellan-Gummi ist eine Art extrazelluläres lineares Polysaccharid, das von Pseudomonas aeruginosa im Zuge der reinen Fermentation von Kohlenhydraten synthetisiert und abgesondert wird. Gellan wird wegen seiner guten Klarheit und ausreichenden thermischen Stabilität in Kombination mit Xanthan zur Herstellung von verzehrfertigen Dessertgelen verwendet. Deacyliertes Gellan wird verwendet, um die Feuchtigkeitsbindung, die Geschmacksfreigabe und die Lagerstabilität von Pudding zu verbessern und die Schrumpfung durch Austrocknung zu verringern.

Metallkationen spielen eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Gellangummi-Gelen. Die Kationen begünstigen durch ihre ortsspezifische Bindung die Bildung der "Bindungszone", da sie sich direkt mit den Carboxylgruppen der Polysaccharidmoleküle verbinden und so die elektrostatische Abstoßung zwischen den Doppelhelixketten verringern.

Carrageen ist ein natürliches Algenpolysaccharid, ein hydrophiles, lineares, inhomogenes Polysaccharid mit Sulfatgruppen, das aus 1,4-Beta-D-Galactopyranose und 1,3-Alpha-D-Galactopyranose als Grundgerüst besteht und aus der Zellwand von Rotalgen gewonnen werden kann. Wenn Carrageenan erhitzt und dann langsam abgekühlt wird, ändert sich die Form der Moleküle allmählich von der anfänglichen lockigen Form zu einer Helix und schließlich von einer einfachen Helix zu einer Doppelhelix, wodurch eine dreidimensionale Netzstruktur entsteht.

In niedrigeren Konzentrationen kann Carrageen ein hitzereversibles Gel bilden. In diesem Moment hat Carrageen eine bessere Transparenz, die das Aussehen von Gelee verbessern kann. Carrageen ist das am häufigsten verwendete Verdickungsmittel bei der Herstellung von Gelees und wird in Lebensmittelformulierungen in Synergie mit anderen Verdickungsmitteln verwendet. Wenn Carrageen mit Akaziengummi, Gelatine, Xanthan und Gummi arabicum gemischt wird, können Gelstärke und Elastizität deutlich verbessert werden.

2.2 Anwendung in Joghurt
Verdickungsmittel können die Konsistenz des Joghurts verbessern, die Eigenschaften des Joghurts stabilisieren, die Ausfällung von Molke verhindern und die Textur und den Geschmack von Joghurtprodukten wirksam verbessern. Wenn Propylenglykolalginat und modifizierte Stärke gleichzeitig als Verdickungsmittel verwendet werden, können sie einen guten Synergieeffekt erzielen, und die optimale Zugabemenge der beiden Verdickungsmittel beträgt 0,15% (W/W) für Propylenglykolalginat und 1,20% für modifizierte Stärke.

Bei der Herstellung von Joghurt kann die Zugabe von 0,2% Propylenglykolalginat das Wasserrückhaltevermögen des Produkts um 10,9% erhöhen und so die Ausfällung von Molke wirksam verhindern. Wenn 0,2% Propylenglykolalginat (W/W), 0,3% Natriumcarboxymethylcellulose, 0,1% hochverestertes Pektin, 0,015% (W/W) Saccharoseester nach dem Compoundieren bei der Herstellung von Sauermilchgetränken hinzugefügt werden, sind die Stabilität und der Geschmack des Produkts zu diesem Zeitpunkt am besten.

Polydextrose ist ein gutes Präbiotikum, das bei der Fermentation im Darm den pH-Wert von 7,24 auf 6,44 senken kann, was das Wachstum und die Vermehrung von Probiotika wie Milchsäurebakterien und Bifidobakterien begünstigt. Bei der Joghurtherstellung kann Polydextrose den Ballaststoffgehalt und den Geschmack des Produkts verbessern, da sie bei niedrigem pH-Wert stabil bleibt. In fettarmen oder fettfreien Produkten kann sie das Austreten von Wasser wirksam verhindern und die Wasserbindungskapazität erhöhen, was wiederum die Textur und den Geschmack des Produkts verbessern kann.

Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von Polydextrose in einer Menge von 1% (W/W) in Joghurterzeugnissen die Viskosität und die Süße des Erzeugnisses erhöht und den Geschmack des Erzeugnisses intensivieren kann. Polydextrose kann die Vitalität anderer Bakterienstämme im Joghurt verbessern und die Haltbarkeit des Joghurts effektiv verlängern.

Wenn Polydextrose in einer Menge von 3% (W/W) in Joghurtprodukten zugesetzt wird, erleichtert sie die Fermentierung von Joghurt, verbessert die Aktivität von Milchsäurebakterien, reduziert die Ausfällung von Molke und spielt eine Schlüsselrolle bei der Organisation und Morphologie des Produkts, und diese Menge an Zusatz erreicht den besten Gerinnungseffekt, und der Säuregehalt und die Süße des Produkts sind moderat. Wenn 4% (W/W) Polydextrose dem geronnenen Joghurt zugesetzt wurde, hatte das Produkt einen feinen Geschmack, eine mäßige Süße, eine deutlich verringerte Molkeausfällung, eine gute Stabilität, und die Polydextrose bewahrte den Geschmack des Produkts gut und verlängerte die Haltbarkeit.

2.3 Anwendung in Erfrischungsgetränken
Natriumcarboxymethylcellulose ist das gebräuchlichste Verdickungsmittel in sauren Getränken, da es aufgrund seiner Wasserlöslichkeit eine hochviskose Lösung in Wasser bilden kann. Natriumcarboxymethylcellulose wird aufgrund ihrer säurebeständigen Eigenschaften am häufigsten in Kuhmilch verwendet. Natriumcarboxymethylcellulose verhindert wirksam die Ausfällung von Kasein und verlängert die Haltbarkeit von Milchprodukten. Natriumcarboxymethylcellulose kann auch die Suspensionsstabilität von Obst- und Gemüsegetränken verbessern, indem sie das Phänomen der Ausfällung verhindert und die Stabilität des Produkts und sein Aussehen wirksam erhält.

Xanthan hat die höchste Viskosität unter den Naturgummis und ist in kaltem Wasser löslich; es wird häufig bei der Herstellung von Erfrischungsgetränken verwendet. Wässrige Lösungen von Xanthan haben ein typisches pseudoplastisches Fließverhalten, wobei die Viskosität bei Scherung abnimmt und sich bei Abwesenheit von Scherung erholt. Die Viskosität der meisten Gummis ist in einem weiten Temperaturbereich nicht stabil, aber die Viskosität von Xanthan ändert sich in einem viel geringeren Ausmaß als bei anderen Gummis. Xanthan Gum hat auch sehr gute Salzbeständigkeit, Heizung wird nicht durch Salz und Niederschlag betroffen sein.

Xanthangummi eignet sich auch für breiartige Getränke und Proteingetränke und kann die Suspension von Kasein und anderen Wirkstoffen verbessern. Die Pseudoplastizität von Xanthangummi verbessert die Konsistenz von Getränken und führt zu einem dickeren Geschmack ohne klebriges Gefühl. Darüber hinaus ist Xanthan auch gut verträglich und hat bei gleichzeitiger Verwendung mit anderen Verdickungsmitteln einen synergistischen Effekt.

Bislang ist die Anwendung von Verdickungsmitteln in Lebensmitteln in China nicht perfekt, die Verbindung zur Produktionstechnologie ist schwach, und die Forschung und Entwicklung von Verdickungsmitteln befindet sich noch im Anfangsstadium. Mit dem steigenden Lebensstandard verbessern die Verbraucher allmählich den Geschmack, die Textur, das Aussehen und andere Anforderungen an Lebensmittel, die künftige Anwendung von Verdickungsmitteln in der Lebensmittelverarbeitung hat einen breiten Raum für Entwicklung und Perspektiven.