Stabilizatory: Systemy stabilizujące do śmietany

Jednym z zadań technologii żywności jest opracowanie procesu produkcyjnego zapewniającego otrzymanie produktu o stałych, powtarzalnych cechach, które gwarantują jakość oraz bezpieczeństwo w całym okresie przydatności do spożycia. Do osiągnięcia tego celu wykorzystywane są różne operacje, procesy oraz substancje dodatkowe. W przypadku produktów mlecznych, a tym bardziej fermentowanych, systemy stabilizujące muszą wykazywać aktywność wielofazową. Aby zrozumieć złożoność problemu stabilizacji mlecznych termizowanych produktów fermentowanych, na przykład śmietany, należy przeanalizować strukturę i technologię otrzymywania tego wyrobu (por. Ziarno M., D. Zaręba. 2017. Dodatki do śmietan i produktów śmietanopodobnych. Forum Mleczarskie Biznes, 2, 56-59). Dodatkową trudność technologiczną nakłada nieustająco rozprzestrzeniający się trend do czystej etykiety (z ang. clean label), jako wyznacznik dialogu z oczekiwaniami konsumentów (można przyjąć, że etykieta jest formą korespondencji pomiędzy producentem i konsumentem).

Stabilizacja jest procesem, którego celem jest utrwalenie cech fizycznochemicznych struktury środka spożywczego. Najczęściej dotyczy utrzymania równomiernego i trwałego rozproszenia faz w środkach spożywczych wielofazowych. Przykładem takich produktów są mleko i jego przetwory. Pod względem składu fizycznochemicznego mleko, jak i jego przetwory, są układami emulsyjnymi oraz koloidami. Śmietana, jako fermentowana tłuszczowa frakcja mleka, jest emulsją typu olej w wodzie (o/w). Stabilność układu emulsyjnego jest realizowana na podstawie składu i struktury kuleczki tłuszczowej, jako podstawowej składowej frakcji tłuszczowej mleka.

W mleku świeżym tłuszcz mleczny występuje w postaci kuleczek tłuszczowych, które zbudowane są z otoczki kuleczki tłuszczowej i zamkniętego wewnątrz tej otoczki tłuszczu występującego w postaci triacylogliceroli. Otoczka kuleczki tłuszczowej pełni rolę stabilizatora międzyfazowego, umożliwiając rozproszenie kuleczek w całej objętości mleka. Efekt ten jest wzmacniany i utrwalany poprzez rozdrobnienie kuleczki w procesie homogenizacji mleka. Układ emulsyjny, który nie jest poddany procesowi homogenizacji, szybko ulega samoistnemu rozwarstwieniu na dwie fazy: dolną wodną i górną tłuszczową, co jest skutkiem różnicy gęstości i sił grawitacyjnych działających na układ. Zastosowanie zabiegu homogenizacji ma na celu rozdrobnienie kuleczek tłuszczowych, w celu zmniejszania ich średnicy i tym samym zwiększenia sumarycznej powierzchni otoczek kuleczek tłuszczowych, co przeciwdziała ich agregacji i kumulacji powierzchniowej kuleczek tłuszczowych, potocznie zwanej podstawaniem tłuszczu. Efekt ten dodatkowo jest podtrzymywany obróbką termiczną (co najmniej procesem wysokiej pasteryzacji), której celem jest inaktywacja enzymów oraz mikroorganizmów wytwarzających enzymy katalizujące procesy lipolityczne. Oba zabiegi fizyczne (homogenizacja i obróbka termiczna) w przypadku produktów o długim terminie przydatności do spożycia nie są wystarczające, dlatego konieczne jest użycie substancji stabilizujących wzmacniających stabilizujący efekt obu zabiegów.

Pod względem zawartości pewnej ilości kazeiny, śmietana jest roztworem koloidalnym, który w procesie fermentacji i następującej później koagulacji podlega przemianom strukturalnym z zolu w żel. W przypadku stabilizacji układu koloidalnego składników mleka, który tworzony jest w układzie rozproszenia kazeiny w fazie wodnej, warunkiem stabilności mieszaniny jest równomierne rozmieszczenie wszystkich składników i ich zawieszenie w finalnym produkcie. Dodatkowo, w przypadku mlecznych produktów fermentowanych istotny jest zabieg koagulacji układu kazeinowego na skutek fermentacji i zmniejszenia wartości pH do punktu izoelektrycznego kazeiny. W przypadku śmietany wykorzystywany jest proces koagulacji kwasowej prowadzonej przez mezofilne bakterie fermentacji mlekowej. Zdolności metaboliczne bakterii fermentacji mlekowych wykorzystywane są do rozkładu laktozy w celu wytworzenia kwasu mlekowego, który wpływa na zmianę układu koloidalnego i powstanie skrzepu kazeinowego. Mechanizm powstania skrzepu opiera się na zmianach chemicznych wywołanych obecnością jonów wodorowych będących efektem dysocjacji kwasu mlekowego, a w efekcie, rozluźnienia struktury micel kazeinowych i ich agregacji (wzajemnego zlepiania i utworzenia struktury żelowej). Utrwalenie struktury żelowej skrzepu mlecznego jest nie lada wyzwaniem dla producentów, ponieważ produkt powinien spełniać określone kryteria jakościowe w całym okresie swojej przydatności do spożycia. Ten aspekt jest najbardziej wrażliwym elementem, przede wszystkim w przypadku produktów fermentowanych, które dla celów wydłużenia trwałości są dodatkowo poddawane procesowi termizacji po fermentacji. Zabieg termizacji ma przede wszystkim na celu zatrzymanie aktywności fermentacyjnej mikroflory. Cały proces utrudnia fakt, że w przypadku śmietany mamy do czynienia z delikatnym skrzepem, którego struktura jest silnie termowrażliwa. System stabilizujący śmietanę termizowaną musi nie tylko chronić białka mleka przed działaniem wysokiej temperatury, ale także pozytywnie wpływać na cechy reologiczne końcowego produktu.

Biorąc pod uwagę złożoność struktury śmietany, która nie dość, że jest emulsją, to również produktem fermentowanym, należy wziąć pod uwagę takie metody stabilizacji, które jednocześnie spełnią wymagania wyrobu fermentowanego, termizowanego oraz wyrobu cechującego się czystą etykietą. Czysta etykieta jest to nastawienie konsumentów związane z oczekiwaniem, że proces produkcji żywności będzie dążył do produkcji ukierunkowanej na technologię tradycyjną i jak najbardziej naturalną. W przypadku konsumentów najprostszym kryterium oceny „naturalności” produktu jest jego skład. Jednak należy pamiętać, że dopasowanie składu środka spożywczego nie może opierać się tylko na modyfikacji zapisów etykiety, a należy wdrażać nowe rozwiązania procesowe umożliwiające faktyczne wyprodukowanie środka spożywczego zgodnego z oczekiwaniem konsumentów. W tym celu należy poddać analizie możliwe do zastosowania substancje dodatkowe, które w ocenie konsumentów spełniają kryterium skojarzenia z „naturalnym” i „tradycyjnym”, a także dopracować proces wytwórczy tak, aby finalnie otrzymać produkt spełniający cechy produktu pożądanego. Skład produktu finalnego jest oceniany pod względem liczby użytych substancji oraz ich jakości.

Najbardziej rozpowszechnioną opinią wśród konsumentów jest „chemizacja” składu. Opinia ta związana jest bezpośrednio ze stosowaniem dodatków do żywności a przede wszystkim z numerami kodów E przypisanych dla każdej substancji będącej na liście dodatków do żywności. Zgodnie z przekonaniami konsumentów każda substancja, która ma przyporządkowany kod E jest substancją sztuczną, niewystępującą w naturze i tym samym nie spełniającą kryterium „tradycyjności” i „naturalności” (por. Zaręba D., Ziarno M. 2016. Stabilizowanie produktów dodatkami z czystą etykietą. Forum Mleczarskie Biznes, 4, 22-25). Przepisy prawa żywnościowego, a konkretnie Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1169/2011, informują, że składnik żywności może być wymieniony z podaniem kodu E lub według szczegółowej nazwy, co daje możliwość niewpisywania na etykiecie kodów dodatku do żywności. Na przykład, zamiast kodu „E 322”, można wpisać „lecytyna sojowa”. Należy jednak podkreślić, że wymagania konsumentów stale zwiększają się. Aktualnie wiele składników niebędących w grupie dodatków do żywności, również ma coraz większą dezaprobatę u konsumentów. Dla przykładu, takie składniki jak mleko w proszku i białka mleka stosowane jako składniki zwiększające suchą masę beztłuszczową produktu finalnego znajdują coraz większą rzeszę przeciwników wśród konsumentów. Zastosowanie zabiegów zagęszczających, takich jak odparowanie lub procesy membranowe, mogą być konkurencyjnymi zabiegami w stosunku do stosowania proszków mlecznych. Dlatego istotne jest, aby opracowanie procesu technologicznego ukierunkowanego na stworzenie stabilnej śmietany było oparte na kryteriach doboru składu oraz operacji technologicznych zbliżających produkt finalny do takiego, który jest odbierany przez konsumenta jako naturalny i tradycyjny (por. Zaręba D., Ziarno M. 2014. Czysta etykieta i etykietowanie. Forum Mleczarskie Biznes, 1, 34-37).

Z danych literaturowych opartych na badaniach ankietowych można opracować listę substancji, które cechują się wysokim wskaźnikiem akceptacji wśród potencjalnych konsumentów. Do tych substancji na pewno można zaliczyć następujące: błonniki i ekstrakty z wodorostów (w zależności od pochodzenia mogą mieć zastosowanie analogiczne do alginianów, agaru, gumy arabskiej, ksantanu, mączki chleba świętojańskiego, karagenów lub innych hydrokoloidów), skrobie natywne (ewentualnie skrobie modyfikowane), a także pektyny (por. Ziarno M., Zaręba D. 2016. Budowanie tekstury napojów fermentowanych. Forum Mleczarskie Biznes, 3, 34-38). Funkcja technologiczna takich substancji musi pokrywać się z właściwościami dodatków do żywności, a więc kreować prawidłową konsystencję produktu, poprawiać stabilność, chronić białka mleka przed wytrąceniem i zapobiegać synerezie.

Na potrzeby krajowego rynku produkuje się śmietany o zawartości tłuszczu od 9% do 36%. Konsystencja śmietany powinna być płynna, ale gęstawa, koniecznie jednolita w całej masie, jest to podstawowy warunek stawiany wyrobowi homogenizowanemu. W wyglądzie produkt powinien być płynem jednorodnym, bez kłaczków ściętych białek, bez podstoju serwatki. Jedynie w przypadku śmietany niehomogenizowanej, której produkcja również jest dopuszczona, akceptuje się lekki podstój tłuszczu na powierzchni. W przypadku śmietan wysokotłuszczowych (o zawartości 18%, 20% i 24% tłuszczu) konsystencja ma być zawiesista, dla śmietan niskotłuszczowych (o zawartości 9% i 12% tłuszczu) dopuszcza się brak zawiesistości. Smak i zapach czysty, lekko kwaśny, dopuszczony jest lekki zapach i posmak pasteryzacji, niedopuszczalne są obce smaki i zapachy. Barwa musi być jednolita, jasnokremowa do kremowej (zależnie od zawartości tłuszczu). Zawartość tłuszczu w finalnym produkcie jest istotna nie tylko ze względu na oczekiwane cechy sensoryczne i organoleptyczne, ale też z uwagi na kulinarne wykorzystanie wyrobu, które również determinuje to, jaki system stabilizowania śmietany zostanie wykorzystane w technologii. Śmietana znajduje zastosowanie jako dodatek do wielu potraw, zarówno przyrządzanych i podawanych na gorąco, jak i na zimno, wytrawnych (zupy, sosy, sałatki, dania mączne) i słodkich (desery, koktajle). Ta wielokierunkowość zastosowania śmietany sprawia, że już na etapie wytwarzania jej producent musi przewiedzieć docelowe użycie produktu przez konsumenta. Dla przykładu, użycie śmietany do zabielania zup lub sosów sprawia, że na etapie przyrządzania potrawy śmietana ma kontakt z wysoką temperaturą, która będzie sprzyjać wytrąceniu obecnych białek mleka. Jak wiadomo, może to wywołać pojawienie się w potrawie kłaczków, które nie są akceptowane przez konsumentów. Takie zastosowanie śmietany wymaga opracowania systemu stabilizującego białka mleka, szczególnie kazeiny, celem jej ochrony przed wytrąceniem w podwyższonej temperaturze. Każdy mistrz kuchni wie, że taki system można przyrządzić w warunkach domowych, a polega to na dodatku mąki pszennej lub ziemniaczanej (lub skrobi ziemniaczanej) do śmietany przed jej wymieszaniem z gorącą potrawą. W ofertach firm dystrybuujących dodatki do żywności dostępnych jest mnóstwo różnych preparatów skrobi, zarówno modyfikowanych (posiadających kod „E”), jak i natywnych, dedykowanych produktom z czystą etykietą (por. Ziarno M., Zaręba D. 2016. Żywność inteligentna i żywność funkcjonalna. Forum Mleczarskie Biznes, 3, 55-58). Oczywiście, dla zakładów mleczarskich ważne są nie tylko doskonałe funkcjonalne właściwości stabilizujące dodatków, czy technologia pozwalająca na ich wykorzystanie w warunkach przemysłowych, ale przede wszystkim koszt takiej aplikacji i wydajność produkcji. Z tego powodu niejednokrotnie systemy stabilizujące do śmietany są dostosowywane do indywidualnych potrzeb przemysłowych.

Stabilizacja śmietany przeznaczonej do użycia w gorących potrawach jest konieczna jeszcze z jednego powodu. Jak wiadomo, śmietana jest produktem uzyskanym poprzez poddanie śmietanki ukwaszeniu czystymi kulturami mezofilnych bakterii mlekowych. Zwykle stosuje się startery złożone z bakterii kwaszących i aromatyzujących (głównie powstawaniu diacetylu) takich jak: Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetilactis oraz Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris. W produkcji śmietany można także stosować dodatek termofilnych bakterii mlekowych, na przykład jogurtowych (z gatunków Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus), a również z gatunku Lb. acidophilus lub rodzaju Bifidobacterium. Dzięki tej mikroflorze uzyskuje się efekt obniżenia pH w wyrobie końcowym. Wartość finalnego pH jest niezwykle istotna w procesie stabilizacji śmietany przeznaczonej do użycia w gorących potrawach, bowiem kombinacja wysokiej kwasowości i wysokiej temperatury dodatkowo sprzyja wytrąceniu obecnych w produkcie białek mleka. Postęp w opracowywaniu nowych i udoskonalaniu już znanych dodatków do żywności sprawił, że nie tylko skrobie znajdują zastosowanie jako składowe systemu stabilizującego śmietanę. Jak wspomniano wcześniej, uznanie znajdują w tym przypadku hydrokoloidy i białka pozyskiwane z matryc roślinnych, zwierzęcych, ekstrakty z wodorostów, hydrokoloidy pochodzenia mikrobiologicznego, a także różne formy błonnika (szczególnie rozpuszczalnego i mikronizowanego), białek roślin strączkowych (soja, groch, fasola, bób), a nawet preparaty natywnych białek mleka lub białek serwatkowych. Co ciekawsze, niektóre z tych dodatków umożliwiają zmniejszenie zawartości tłuszczu w finalnym produkcie bez negatywnego wpływu na jego jakość.

Wiele z tych wyżej wymienionych dodatków i naturalnych składników znajduje zastosowanie do stabilizowania śmietany przeznaczonej do użycia na zimno, na przykład w deserach i koktajlach. Dobór odpowiedniego składu systemu stabilizującego lub właściwej pojedynczej substancji spełniającej założone cele technologiczne w produkcie spożywczym, zależy od właściwości funkcyjnych dodatku w różnych warunkach jego zastosowania. W przypadku śmietany przeznaczonej do użycia do deserów lub koktajli oczekuje się nie tylko odporności obecnych białek mleka na tworzenie się kłaczków, ale również zdolności do żelowania, zagęszczania, tworzenia homogennych emulsji, trwałych w swojej konsystencji w finalnej potrawie, braku wpływu na smak i zapach potrawy, a czasami nawet odporności na zamrażanie i rozmrażanie.

Podsumowanie

Jak wynika z powyższego omówienia systemów służących stabilizacji śmietany, jest to proces będący wyzwaniem zarówno dla technologów w zakładach mleczarskich, jak i producentów dodatków do żywności. Efektywna stabilizacja każdego mlecznego napoju fermentowanego zależy od tak wielu czynników, że każdy produkt należy rozpatrywać z osobna, biorąc pod uwagę nie tylko oczekiwania konsumentów co do czystości etykiety, ale również kulinarne przeznaczenie produktu. W przypadku śmietany wyzwaniem jest, by wyprodukować wyrób o doskonałej konsystencji i stabilności kulinarnej nie stosując żadnych dodatków do żywności.