Dodatki hydrokoloidowe: Właściwości i zastosowanie dodatków hydrokoloidowych
Hydrokoloidy to hydrofilowe polimery otrzymywane z wielu różnych surowców, w tym źródeł roślinnych (np. mączka chleba świętojańskiego, karagen, pektyny, skrobie), zwierzęcych (np. chitozan, żelatyna), mikrobiologicznych (np. ksantan) lub chemicznych modyfikacji naturalnych polisacharydów (np. karboksymetyloceluloza).
Termin „hydrokoloid” pochodzi od dwóch greckich słów: „hydro” = „woda” i „kolla” = „klej”. Hydrokoloidy to funkcjonalne długołańcuchowe biopolimery, które łatwo ulegają dyspersji, są częściowo lub całkowicie rozpuszczalne w roztworach wodnych. W środowisku wodnym pęcznieją, zwiększając swoją objętość hydrodynamiczną, tworząc roztwory koloidalne i zwiększając lepkość układu. Ponadto jeśli hydrokoloidy utrzymają wystarczającą ilość wody ze względu na ich stężenie, a ich łańcuchy będą dodatkowo oddziaływać, to utworzą zżelowaną strukturę.
Dodatki te służą do modyfikowania lepkości i tekstury produktów spożywczych. Mogą zatem pełnić wiele funkcji w żywności, tj. emulgowanie (napoje), stabilizowanie i zagęszczanie (produkty na bazie mleka), powlekanie i teksturowanie (wyroby cukiernicze), wypełnianie (produkty piekarnicze) itp. Stosowane są również do tworzenia żeli. Hydrokoloidy mogą również wydłużyć okres przydatności do spożycia produktów mlecznych poprzez ograniczenie wydzielania się serwatki, zawieszanie zdyspergowanych cząstek lub hamowanie flokulacji miceli białkowych. Niektóre są stosowane samodzielnie, podczas gdy inne są używane w synergistycznych kombinacjach. Wszystko zależy od tego, w jaki sposób każdy hydrokoloid reaguje na wodę (w tym jak się w niej rozpuszcza) i na zmiany temperatury. Obecnie stosowanie hydrokoloidów jest uważane za integralną część przemysłu spożywczego.
Oprócz lepkości i tekstury produktów spożywczych dodatek hydrokoloidów zmienia także jakość sensoryczną i odżywczą żywności. Wiele hydrokoloidów spożywczych jest znanych jako dodatki prozdrowotne. Pod tym względem hydrokoloidy są wielofunkcyjnymi składnikami, które mogą być stosowane w różnych produktach nie tylko jako stabilizatory, środki zagęszczające czy żelujące, ale także jako źródło rozpuszczalnego błonnika czy dla celów dietetycznych.
Obecny trend w kierunku nowych produktów mlecznych o niższej zawartości tłuszczu i niższej całkowitej zawartości substancji stałych stworzył potrzebę ulepszenia technologii stabilizacji. Podstawową zasadą przy stabilizacji wielu produktów mlecznych jest uznanie, że kombinacje hydrokoloidów mogą być bardziej skuteczne niż użycie pojedynczego stabilizatora. Ta świadomość i dziesięciolecia doświadczeń przemysłowych doprowadziły do wprowadzenia i sprzedaży dużej liczby mieszanek hydrokoloidów opracowanych dla specyficznych produktów mlecznych.
Hydrokoloidy jako stabilizatory i zagęstniki
Hydrokoloidy są często ważnymi składnikami funkcjonalnymi szerokiej gamy produktów mlecznych, w których służą jako modyfikatory tekstury i stabilizatory poprawiające trwałość (tabela 1). Hydrokoloidy o takim wykorzystaniu to m.in. skrobie natywne, skrobie modyfikowane, ksantan, galaktomannany, takie jak guma guar i mączka chleba świętojańskiego (LBG), guma arabska, guma karaya, alginiany, karageny, guma tragakantowa i karboksymetyloceluloza (CMC). Funkcje tych stabilizatorów są wykorzystywane w różnych kategoriach produktów mlecznych, w tym: sterylizowanych koncentratach mlecznych, smakowych napojach mlecznych, mlecznych napojach fermentowanych, żelach mlecznych oraz deserach mrożonych i niemrożonych.
Procesy zagęszczania i stabilizowania polegają na niespecyficznym splątaniu konformacyjnie nieuporządkowanych łańcuchów polimerowych. Zasadniczo jest to interakcja polimer–rozpuszczalnik (woda). W zależności od rodzaju i stężenia zastosowanego hydrokoloidu efekt zagęszczania będzie zależny od pH i temperatury tworzonego układu polimer–rozpuszczalnik (np. guma arabska nadaje niską lepkość i jest stosowana raczej w produktach płynnych lub półpłynnych, podczas gdy roztwory gumy guar są bardzo lepkie i idealnie nadają się do produktów takich jak lody). Zagęszczanie występuje powyżej stężenia krytycznego znanego jako stężenie nakładające się (poniżej tego stężenia dyspersje polimerowe wykazują zachowanie newtonowskie, a powyżej tego stężenia – zachowanie nienewtonowskie). Efekt zagęszczania wytwarzany przez hydrokoloidy zależy od rodzaju zastosowanego hydrokoloidu, jego stężenia, składu matrycy żywnościowej, w której jest stosowany, a także od jej pH i temperatury.
W ostatnich kilkudziesięciu latach pojawiły się nowe zastosowania hydrokoloidów stabilizujących i zagęszczających, istotne dla rozwoju innowacyjnych produktów spożywczych. Niektóre hydrokoloidy mogą zapewnić lepszą konsystencję w produktach spożywczych słodzonych słodzikami, ale jednocześnie maskować gorzkie posmaki pochodzące z substancji słodzącej lub innych dodatków. Na przykład gorzkie posmaki związane z fortyfikacją wapnia mogą być zadowalająco maskowane przy dość wysokich poziomach guaru i mączki chleba świętojańskiego.
Doskonałym przykładem wykorzystania hydrokoloidów jako stabilizatorów jest produkcja lodów. Przechowywanie lodów w niskiej temperaturze powoduje powstawanie kryształków lodu, tymczasem stabilizatory zapobiegają temu niekorzystnemu zjawisku. Koncepcja wykorzystania hydrokoloidów w produkcji lodów opiera się na przyjęciu, że kombinacja hydrokoloidów daje bardziej skuteczne działanie niż użycie jednego stabilizatora. Ta świadomość doprowadziła do opracowania i wprowadzenia na rynek dużej liczby mieszanek hydrokoloidów przeznaczonych do wyrobu mlecznych produktów mrożonych. Typowe mieszanki stabilizatorów do produkcji lodów i innych mlecznych deserów mrożonych obejmują podstawowe stabilizatory koloidalne (tzn. CMC, alginian i mączka chleba świętojańskiego lub guma guar) w połączeniu z dodatkowym stabilizatorem, którym jest karagen. W tych układach karagen ma na celu zapobieganie wydzieleniu fazy wodnej z mieszanki lodowej, która może pojawić się w efekcie zastosowania mieszanki stabilizatorów koloidalnych.
Karageny (np. kappa- i teta-karageny) sprawdzają się również w produkcji sterylizowanych koncentratów mlecznych. Stężenia karagenu stosowane w tych produktach są zazwyczaj na tak niskim poziomie, że wpływ na ogólną lepkość jest minimalny. Bardzo często mechanizm stabilizacji wynika z interakcji hydrokoloidu z innymi składnikami układu (np. białkami kazeinowymi).
Zdolności stabilizujące mieszanek hydrokoloidów są szeroko wykorzystywane w produkcji mlecznych napojów fermentowanych i śmietany. Takie mieszanki mogą zawierać ksantan, skrobię modyfikowaną, guar i mączkę chleba świętojańskiego, karboksymetylocelulozę, a także pektynę i karagen. Funkcja poszczególnych składników w takich mieszankach może nie być taka sama, szczególnie kiedy dla jakości końcowego produktu ważna jest gęsta konsystencja bez wydzielania serwatki. Zazwyczaj niektóre ze stabilizatorów mają na celu poprawę konsystencji i tekstury mleka lub śmietany poddanych koagulacji kwasowej, podczas gdy inne są ukierunkowane na zapobieganie oddzielaniu się serwatki (tj. synerezie). Zastosowanie ujemnie naładowanych hydrokoloidów, takich jak ksantan, karboksymetyloceluloza i pektyny, stanowi potężny środek minimalizujący wydalanie serwatki w układach o pH w zakresie 4,3-4,6, typowym dla mlecznych napojów fermentowanych i kwaśnej śmietany. Działanie takich hydrokoloidów polega na uleganiu elektrostatycznym interakcjom z białkami mleka (poprzez wzajemne przyciąganie się grup anionowych stabilizatorów do dodatnio naładowanych miejsc na białkach mleka), co powoduje ogólne przesunięcie punktu izoelektrycznego powstałych kompleksów poza zakres 4,3-4,6 i tym samym zmniejszenie synerezy. Tymczasem neutralne stabilizatory (np. skrobia i guma guar) nie ulegają interakcjom z białkami mleka zależnym od pH i ich działanie ogranicza się do poprawy konsystencji i tekstury (poprzez zwiększenie lepkości fazy wodnej całego układu produktu). Badania dowodzą, że do zmniejszenia wartości synerezy (separacji serwatki) w mlecznych napojach fermentowanych, szczególnie beztłuszczowych, nadają się również beta-glukany i guma tragakantowa.
Niekiedy mleczne napoje fermentowane o płynnej konsystencji (np. jogurty pitne i mieszane) wymagają innych systemów stabilizowania hydrokoloidami. W takich produktach struktura żelowa koagulatu białek mleka jest celowo niszczona, aby uzyskać produkt bardziej płynny i o gładkiej konsystencji. Często takie napoje fermentowane są produkowane w wersjach smakowych, co dodatkowo może powodować problemy ze stabilnością. W takich przypadkach wybiera się stabilizatory typu anionowego (takie jak CMC i pektyny wysokometylowane), które „zmiękczają” skrzep i minimalizują wydzielanie serwatki bez modyfikacji konsystencji i tekstury.