Загустители выполняют функции загущения, желирования, эмульгирования, стабилизации и т. д., что позволяет улучшить качество и внешний вид пищевых продуктов, а также придать им насыщенный вкус. Загустители доступны из широкого спектра источников и добавляются в небольших количествах, став важными пищевыми добавками в таких продуктах, как мясные, молочные и макаронные изделия.

Механизм действия загустителей

Загустители способны изменять реологию пищевой системы, т.е. вязкость, характерную для потока, и текстуру, характерную для механического твердого тела. Исследования подтвердили, что изменения текстуры или вязкости пищевых систем способствуют изменению их сенсорных свойств. В целом, загустители имеют тенденцию формировать сетчатую структуру в растворе или коллоиде с большим количеством гидрофильных групп, которые представляют собой гетерогенные группы длинноцепочечных полимеров (полисахаридов и белков), тем самым улучшая вязкость и текстуру пищи. Основными свойствами загустителей являются загущение, желирование, эмульгирование, стабилизация и контроль роста кристаллов льда и сахара, а также другие эффекты.

1.1 Процесс сгущения
Процесс загущения включает в себя структурированное гелеобразование неспецифической запутанности конформационно неупорядоченных цепей. Вязкость полисахаридных дисперсий в основном обусловлена физическим спутыванием конформационно неупорядоченных случайных завитков. В дисперсиях с низкой концентрацией отдельные молекулы загустителя свободно перемещаются и не оказывают загущающего действия. В системах с высокой концентрацией молекулы начинают контактировать друг с другом и, следовательно, движение молекул ограничивается.

Степень загущения зависит от типа загустителя, например, он дает низкую вязкость при высоких концентрациях и высокую вязкость при концентрациях ниже 1%. Распространенными загустителями являются крахмал, ксантановая камедь, гуаровая камедь, камедь бобов акации, каррагинан, камедь арабика и производные целлюлозы.

1.2 Гелевый процесс
1.2.1 Образование геля
Гель - это форма вещества между твердым и жидким, обладающая механической жесткостью, так что продукт обладает вязкоупругостью, проявляя свойства жидкости и твердого тела. Текстурные свойства геля (эластичные или хрупкие, жевательные или кремообразные) зависят от типа загустителя, а сенсорные свойства продукта (непрозрачность, вкус или аромат) меняются соответственно.

Знание условий желирования конкретной дисперсии загустителя, характеристик получаемого геля и текстуры, которую он придает, является очень важным аспектом при разработке конкретной пищевой рецептуры. Образование геля включает в себя соединение неравномерно диспергированных сегментов полимерных цепей в дисперсии с образованием трехмерной сети, содержащей растворитель в пустотах. Сопутствующие области, известные как зоны соединения, могут быть образованы двумя или более полимерными цепями. Процесс желирования, по сути, представляет собой формирование этих зон соединения.

На физическое расположение этих зон соединения в сети могут влиять различные параметры, такие как температура, присутствие ионов и собственная структура загустителя. Существует три механизма гелеобразования загустителей: ионное гелеобразование, гелеобразование в холодном состоянии и термоформовочное гелеобразование. Ионное гелеобразование происходит за счет сшивания цепей загустителя с ионами, обычно процесс гелеобразования опосредован отрицательно заряженными катионами полисахаридов, таких как альгинат, каррагинан и пектин, а ионное гелеобразование - за счет диффузионного схватывания или внутреннего гелеобразования.

В гелях холодного застывания коллоидные порошки растворяются в теплой кипящей воде с образованием дисперсии, которая при охлаждении приводит к стабилизированным энтальпией межцепочечным спиралям, образующим отдельные сегменты цепи, в результате чего образуется трехмерная сеть, например, агар и желатин. Термозастывающие гели требуют нагревания геля, обычно только в тех местах, где требуется термозастывание продукта. Механизм термозастывания происходит за счет разворачивания белков натурального крахмала и их последующей перегруппировки в сети.

1.2.2 Роль ассоциативных зон в гелях
Зоны связи играют важную роль в процессе гелеобразования загустителей, влияя на свойства и функционирование геля. В желатине зона связи образована тремя молекулами за счет водородной связи. В каррагинане от шести до десяти молекул образуют зону связи, в то время как в каррагинане I типа участвуют только две молекулы. Чем больше молекул в области связи, тем выше жесткость геля. В результате мультимолекулярная область связи каррагинана типа К обладает жесткостью и хуже восстанавливается при сдвиге, в то время как гели каррагинана типа I имеют более гибкую структуру и менее чувствительны к сдвигу. Связующая область каррагинана и альгината состоит из двух молекул, но гели каррагинана выдерживают большую деформацию до разрыва, чем альгинат, который имеет почти такую же прочность.

Термическое поведение гелей также различается в зависимости от области связи. Желатин плавится при более низких температурах, поскольку области связи связаны только слабыми водородными связями. Качество растворителя также является важным фактором. Водородные связи в гелях с высоким содержанием метоксильного пектина могут образовываться только при добавлении сахара, который в достаточной степени снижает активность воды.

1.2.3 Другие факторы, влияющие на образование геля
Различные факторы, влияющие на образование гелей из загустителей, включают концентрацию желирующего агента, pH среды, молярную массу, степень полимеризации, температуру, ионный состав и растворитель. Помимо определения факторов, влияющих на образование гелей из загустителей, гели, образованные из них, должны быть охарактеризованы, часто с микроструктурной и реологической характеристикой, что может помочь в добавлении загустителей в качестве желирующих агентов. Например, было исследовано влияние добавления сахарозы и аспартама на свойства при сжатии гелей с загустителями, т.е. каррагинана типа К, геля с узловым охлаждением и акациевой камеди с каррагинаном типа К; добавление сахарозы привело к увеличению истинного напряжения разрушения для всех этих гелей. Однако добавление аспартама в низких концентрациях не повлияло на параметры текстурного сжатия.

Кроме того, основные факторы, определяющие сладость геля, связаны с механическими свойствами гелей (прочность геля, напряжение разрушения, деформация разрушения и т.д.), в частности, с величиной деформации, необходимой для разрушения сети, и ее устойчивостью к деформации. Кроме того, солюбилизаторы, такие как сахароза, концентрация гидролизованных коллоидов, скорость сдвига и температура также являются важными переменными, влияющими на реологическое состояние геля.

Применение загустителей в пищевой промышленности

2.1 Применение в производстве желе
Пищевые загустители часто используются в производстве и переработке желе с двумя или более синергетическими эффектами, чтобы достичь наилучшего эффекта, необходимого для желе. Геллановая камедь - это вид внеклеточного линейного полисахарида, синтезируемого и выделяемого Pseudomonas aeruginosa в процессе чистой ферментации углеводов. Геллановая камедь используется в сочетании с ксантановой камедью для производства готовых к употреблению десертных гелей благодаря своей хорошей прозрачности и достаточной термостабильности. Деацилированная геллановая камедь используется для улучшения влагоудержания, выделения аромата и стабильности хранения пудингов, а также для уменьшения усадки при дегидратации.

Катионы металлов играют ключевую роль в формировании гелей геллановой камеди. Катионы, посредством сайт-специфического связывания, благоприятствуют формированию "зоны связывания" благодаря их непосредственному соединению с карбоксильными группами на молекулах полисахаридов, тем самым уменьшая электростатическое отталкивание между цепями двойной спирали.

Каррагинан - это природный полисахарид водорослей, гидрофильный линейный неоднородный полисахарид с сульфатными группами, состоящий из 1,4-бета-D-галактопиранозы и 1,3-альфа-D-галактопиранозы в качестве основной связи, который может быть получен из клеточной стенки красных водорослей. Когда каррагинан нагревают, а затем медленно охлаждают, форма молекул постепенно меняется от первоначальной волнистой формы к спирали, а затем от одной спирали к двойной спирали, в результате чего образуется трехмерная сетчатая структура.

Когда каррагинан находится в более низкой концентрации, он может образовывать термообратимый гель, в этот момент каррагинан обладает лучшей прозрачностью, что может улучшить внешний вид желе. Каррагинан является наиболее распространенным загустителем, используемым при производстве желе, и применяется в пищевых рецептурах в синергии с другими загустителями. Когда каррагинан соединяют с камедью бобов акации, желатином, ксантановой камедью и арабиком, прочность и эластичность геля значительно повышаются.

2.2 Применение в йогурте
Загустители могут улучшить консистенцию йогурта, стабилизировать свойства йогурта, предотвратить выпадение сыворотки, эффективно улучшить текстуру и вкус йогуртовых продуктов. При одновременном использовании альгината пропиленгликоля и модифицированного крахмала в качестве загустителя, они могут играть хороший синергетический эффект, а оптимальное количество добавления двух загустителей составляет 0,15% (W/W) для альгината пропиленгликоля и 1,20% для модифицированного крахмала.

В процессе производства йогурта добавление 0,2% альгината пропиленгликоля может увеличить водоудерживающую способность продукта на 10,9%, эффективно предотвращая выпадение сыворотки в осадок. При добавлении 0,2% альгината пропиленгликоля (W/W), 0,3% карбоксиметилцеллюлозы натрия, 0,1% высокоэфирного пектина, 0,015% (W/W) эфира сахарозы после компаундирования в процессе производства кисломолочного напитка, стабильность и вкус продукта в это время являются наилучшими.

Полидекстроза является хорошим пребиотиком, в процессе кишечной ферментации может сделать значение pH в кишечнике от 7,24 до 6,44, что благоприятствует росту и распространению пробиотиков, таких как молочнокислые бактерии и бифидобактерии. При производстве йогурта полидекстроза может улучшить содержание пищевых волокон и вкус продукта, так как она остается стабильной при низком pH. В продуктах с низким содержанием жира или обезжиренных продуктах она может эффективно предотвратить анализ воды и увеличить влагоудерживающую способность, что может эффективно улучшить текстуру и вкус продукта.

Исследования показали, что при добавлении полидекстрозы в количестве 1% (W/W) в йогуртовые продукты можно добиться повышения вязкости и сладости продукта, а также сделать его вкус более насыщенным. Полидекстроза может улучшить жизнеспособность других штаммов бактерий в йогурте и эффективно продлить срок хранения йогурта.

При добавлении полидекстрозы в количестве 3% (W/W) в йогуртовые продукты, она облегчает ферментацию йогурта, улучшает активность молочнокислых бактерий, уменьшает осаждение сыворотки, и играет ключевую роль в организации и морфологии продукта, и это количество добавки достигает наилучшего эффекта свертывания, а кислотность и сладость продукта умеренные. При добавлении 4% (W/W) полидекстрозы в свернувшийся йогурт, продукт имел нежный вкус, умеренную сладость, значительно снижалось выпадение сыворотки, хорошая стабильность, а полидекстроза хорошо сохраняла вкус продукта и продлевала срок хранения.

2.3 Применение в безалкогольных напитках
Карбоксиметилцеллюлоза натрия является наиболее распространенным загустителем в кислых напитках, благодаря своей растворимости в воде, она может образовывать в воде раствор высокой вязкости. Карбоксиметилцеллюлоза натрия чаще всего используется в коровьем молоке благодаря своим кислотоустойчивым свойствам. Карбоксиметилцеллюлоза натрия эффективно предотвращает выпадение казеина в осадок и продлевает срок хранения молочных продуктов. Карбоксиметилцеллюлоза натрия также может улучшить стабильность суспензии фруктовых и овощных напитков, предотвращая явление выпадения осадка, и эффективно сохранять стабильность продукта и его внешний вид.

Ксантановая камедь обладает самой высокой вязкостью среди натуральных камедей и растворима в холодной воде, широко используется в производстве безалкогольных напитков. Водные растворы ксантановой камеди имеют типичное псевдопластическое течение с уменьшением вязкости при наличии сдвига и восстановлением при его отсутствии. Большинство камедей в широком диапазоне температур вязкость не стабильна, но вязкость ксантановой камеди изменяется в гораздо меньшей степени, чем у других камедей. Ксантановая камедь также обладает очень хорошей солеустойчивостью, нагревание не будет подвержено воздействию соли и осадков.

Ксантановая камедь также подходит для напитков с целлюлозой и белковых напитков, может улучшить суспензию казеина и других активных ингредиентов. Псевдопластичность ксантановой камеди улучшает консистенцию напитков, обеспечивая более густой вкус без ощущения липкости. Кроме того, ксантановая камедь обладает хорошей совместимостью, при одновременном использовании с другими загустителями будет наблюдаться синергетический эффект.

До сих пор применение загустителей в пищевой промышленности Китая не является совершенным, технологическая связь производства слаба, а исследования и разработки загустителей все еще находятся на начальной стадии. С ростом уровня жизни, потребители постепенно улучшают вкус, текстуру, внешний вид и другие требования к продуктам питания, будущее применение загустителей в пищевой промышленности имеет широкое пространство для развития и перспективы.