Annato: Zastosowanie i wybielanie annato w produktach mlecznych
Białka serwatkowe, stanowiące istotny składnik Annato to naturalny żółtopomarańczowy barwnik pozyskiwany z nasion tropikalnego drzewa Bixa orellana, nazwanego na cześć Francisco de Orellany, naukowca i odkrywcy górnej Amazonii. Na tym drzewie rosną grona owoców w kształcie torebek pokrytych kolcami; w środku każdego owocu znajduje się od 10 do 50 małych nasion. Nasiona są otoczone jasnoczerwonym miąższem, który zawiera pigment annato. Wykorzystanie annato jako barwnika nie jest nowym zjawiskiem. Aztekowie używali ekstraktu z niego do barwienia tekstyliów, ciała (np. w szminkach) oraz jako barwnika spożywczego w napoju cacahuatl. Oprócz nadawania koloru annato pełniło funkcję przyprawy. Indianie Ameryki Północnej powszechnie używali zmielonych nasion bixa w swoich napojach kakaowych, aby nadać im lekko czerwony kolor i piżmowy smak, porównywalny z papryką lub szafranem.
Współcześnie annato jest nadal stosowane jako przyprawa, szczególnie w potrawach Ameryki Łacińskiej. Znajduje również zastosowanie w kiełbasach, rybach, margarynie, przekąskach, dressingach, sosach i słodyczach. Jego użycie różni się jednak w zależności od kraju ze względu na różne tradycje i regulacje prawne. Annato jest również wykorzystywane w takich produktach jak margaryna, przekąski, kiełbasy czy tradycyjne potrawy Ameryki Łacińskiej, np. cochinita pibil.
Obecnie Ameryka Łacińska produkuje około 60% światowego annato, Afryka – 27%, a Azja – 12%. Ceny nasion annato zależą od poziomu produkcji i są proporcjonalne do zawartości biksyny, głównego pigmentu. Stany Zjednoczone i Europa są największymi importerami nasion annato, a rynek japoński znacząco się rozwinął od momentu wprowadzenia tego barwnika w 1963 r. Ze względu na swoje naturalne pochodzenie i szerokie zastosowanie annato jest uznawane za bezpieczne, choć jego użycie może się różnić w zależności od przepisów żywnościowych w poszczególnych krajach.
Istnieją trzy główne metody ekstrakcji barwnika z suszonych nasion annato: bezpośrednia olejowa, bezpośrednia wodna alkaliczna oraz pośrednia za pomocą rozpuszczalników. W wyniku tych procesów uzyskuje się barwniki z przewagą biksyny lub norbiksyny, z których biksyna ma charakter lipofilowy, a norbiksyna jest hydrofilowa. Ekstrakcja olejem lub rozpuszczalnikiem prowadzi do uzyskania barwnika, który składa się głównie z biksyny. Ekstrakcja wodnym roztworem alkalicznym (forma stosowana w przemyśle mleczarskim, np. do barwienia sera) zmydla grupę metylową biksyny, przekształcając ją i dając norbiksynę jako główny barwnik. Annato cechuje się zmiennością kolorystyczną w zależności od formy chemicznej – cis i trans, gdzie formy trans biksyny i norbiksyny są bardziej czerwone niż ich formy cis. Zarówno biksyna, jak i norbiksyna występują naturalnie w formie cis, ale pod wpływem światła i ciepła mogą zostać przekształcone w formę trans.
Biksyna i norbiksyna są karotenoidami, wykorzystywanymi głównie w przemyśle spożywczym, zwłaszcza w mleczarstwie, do nadawania produktom takim jak sery (np. cheddar) jednolitego koloru w celu kompensacji zmian sezonowych. Praktyka barwienia serów za pomocą annato jest stosowana od XIX wieku, a jej wdrożenie miało na celu ujednolicenie ich koloru niezależnie od sezonowych zmian poziomu karotenoidów w paszy stosowanej do produkcji mleka. Chr. Hansen Inc., główny współczesny dostawca annato do przemysłu mleczarskiego, otworzył swoją pierwszą fabrykę w 1874 r. Na przestrzeni lat pomarańczowy kolor serów stał się oczekiwany w wielu ich rodzajach, co wymagało dodawania annato do mleka serowarskiego.
Dieta krów może wpływać na kolor sera. Karotenoidy to lipofilowe cząsteczki, które występują w tłuszczu mlecznym. W paszy spożywanej przez krowy znajduje się szeroka gama karotenoidów i produktów ich degradacji, jednak w mleku można zidentyfikować tylko niewielką liczbę tych związków. Wynika to z faktu, że transfer karotenoidów z diety do mleka jest niski, a niektóre z nich mogą ulegać rozkładowi na bezbarwne związki w przewodzie pokarmowym. Część z tych bezbarwnych związków może zostać przeniesiona do mleka, wpływając na jego profil sensoryczny, choć nie nadają one koloru produktowi końcowemu. Karotenoidy zidentyfikowane w mleku obejmują luteinę, wiolaksantynę, anteraksantynę, zeaksantynę, neoksantynę, all-trans β-karoten, α-karoten i 13-cis β-karoten. Spośród nich luteina i β-ka-roten są ilościowo najważniejsze, przy czym β-karoten stanowi około 90% wszystkich karotenoidów obecnych w mleku krowim.
Karotenoidy, takie jak te obecne w annato, mają wpływ na sensoryczne właściwości produktów mlecznych takie jak kolor i smak, a także mogą wiązać się z białkami, tworząc stabilne kompleksy. Ponadto karotenoidy mogą wpływać na właściwości sensoryczne mleka pośrednio – dzięki swoim właściwościom antyoksydacyjnym stabilizując związki podatne na utlenianie – lub bezpośrednio, powodując żółknięcie. β-karoten może być przekształcany w witaminę A, jednak niepełna konwersja tego związku powoduje, że mleko przybiera żółty kolor.
W procesie serowarskim annato nie jest w pełni zatrzymywane w serze, w związku z czym pewien jego procent pozostaje w serwatce, co jest wysoce niepożądane. Szacuje się, że około 20% annato dodanego do mleka serowarskiego przechodzi do serwatki. W efekcie serwatka jest często wybielana podczas przetwarzania, co wymaga użycia środków takich jak nadtlenek wodoru lub nadtlenek benzoilu, aby usunąć niepożądany kolor. Biksyna i norbiksyna mają silnie sprzężone struktury, co sprawia, że związki te są podatne zarówno na utlenianie, jak i redukcję. Utlenianie jest istotne dla przemysłu serwatki płynnej, ponieważ prowadzi do utraty koloru, co jest głównym celem wybielania. Co ważne, badania sugerują, że norbiksyna może wiązać się z białkami takimi jak β-kazeina lub β-laktoglobulina, tworząc stabilny kompleks, który może zapobiegać utlenianiu i utracie koloru. Reakcja ta może być pożądana w niektórych produktach, takich jak ser, jednak zmniejsza efektywność usuwania koloru podczas wybielania serwatki.
Dwa powszechnie stosowane środki wybielające annato to nadtlenek wodoru i nadtlenek benzoilu. Ostatnie badania podkreślają negatywny wpływ wybielania na smak serwatki przy jednoczesnym braku aktualnych badań dotyczących warunków wybielania i jego skuteczności. Ponadto międzynarodowe regulacje wzbudzają dodatkowe obawy dotyczące stosowania nadtlenku benzoilu jako środka wybielającego. W związku z tym pojawiają się nowe koncepcje wykorzystania alternatywnych metod, takich jak systemy lipooksygenazy, peroksydazy i laktoperoksydazy.
Wybielanie utleniające
Cząsteczka emitująca kolor nazywana jest chromoforem i jest zazwyczaj najbardziej podatną na uszkodzenia częścią molekuły barwnika. Zniszczenie chromoforu często sprawia, że barwnik traci swój kolor. Środki utleniające (wybielacze) działają poprzez utlenianie wiązań podwójnych w chromoforze. Taka reakcja przekształca cząsteczkę w inną substancję, w której chromofor albo nie występuje, albo występuje w skróconej formie. Krótszy chromofor absorbuje światło o krótszej długości fali (światło UV), dlatego nie jest widoczny jako kolorowy.
W przemyśle stosuje się różne wybielacze utleniające, takie jak dwutlenek chloru, który jest używany do wybielania miazgi drzewnej, tłuszczów, olejów, celulozy, mąki, tekstyliów i wosku pszczelego. Nadtlenki organiczne, w tym nadtlenek wodoru i nadtlenek benzoilu, a także bromiany, są stosowane do wybielania serwatki i mąki. Innym ważnym obszarem zastosowania wybielaczy jest przemysł drzewny i celulozowy, gdzie produkuje się papier bezchlorowy. W tym celu stosuje się kwas nadoctowy, ozon, nadtlenek wodoru oraz tlen w różnych sekwencjach wybielania.
Nadtlenek wodoru (H₂O₂) to klarowna, bezbarwna ciecz o lekko ostrym zapachu. Podczas procesu wybielania nadtlenek wodoru rozkłada się na tlen i wodę. Pozostały nadtlenek wodoru musi zostać usunięty z serwatki i mleka serowego, fizycznie lub poprzez dodanie katalazy. W przeciwnym razie może powodować problemy (rys. 1). Katalaza przekształca nadtlenek wodoru w tlen i wodę.
 |
 |
|
|
| Rys. 1. Zalety i wady wybielania nadtlenkiem wodoru (opracowanie własne na podstawie: E.J Kang i wsp., Invited review: Annato usage and bleaching in dairy foods, „Journal of Dairy Science” 2010, 93(9), s. 3891–3901,https://doi.org/10.3168/jds.2010-3190) | |
Nadtlenek benzoilu (C14H10O4) to bezbarwna, krystaliczna substancja stała. Podobnie jak nadtlenek wodoru, nadtlenek benzoilu (lub jego mieszanina z ałunem potasu, siarczanem wapnia i węglanem magnezu) jest uznawany za substancję GRAS (Generally Recognized As Safe) i może być stosowany do wybielania składników mlecznych. Nadtlenek benzoilu, w przeciwieństwie do nadtlenku wodoru, nie ma ograniczeń co do dopuszczalnych stawek stosowania w produktach żywnościowych, poza obowiązującymi zasadami GMP. Jest jednak dopuszczony wyłącznie do stosowania w produktach serwatkowych, które nie są przeznaczone dla niemowląt. Ponadto nadtlenek benzoilu jest stosowany w serwatce barwionej annato, aby uzyskać wybielony produkt zgodny z opisami i specyfikacjami serwatki, serwatki zagęszczonej lub serwatki suszonej na poziomach nieprzekraczających aktualnych zasad GMP.
|
|
|
|
| Rys. 2. Zalety i wady wybielania nadtlenkiem benzoilu (opracowanie własne na podstawie: E.J Kang i wsp., Invited review: Annato usage and bleaching in dairy foods, „Journal of Dairy Science” 2010, 93(9), s. 3891–3901, https://doi.org/10.3168/jds.2010-3190) | |
Wybielanie redukujące
Ogólnie rzecz biorąc, wybielacz redukujący działa poprzez przekształcanie wiązań podwójnych w chromoforze w wiązania pojedyncze, co eliminuje zdolność chromoforu do pochłaniania światła widzialnego. Światło słoneczne emituje fotony o wysokiej energii, często w zakresie fioletowym lub UV, które mogą rozrywać wiązania w chromoforze, sprawiając, że substancja staje się bezbarwna. Wiele barwnych cząsteczek jest stosunkowo delikatnych i ulega uszkodzeniu pod wpływem fotonów światła UV. Tradycyjnie wystawianie tkanin na działanie światła słonecznego było metodą ich wybielania, nadającą im jasny kolor. Do powszechnie stosowanych w żywności wybielaczy należą sok z cytryny (w połączeniu ze światłem słonecznym) oraz dwutlenek siarki.
Wybielanie biochemiczne
Enzymy, takie jak lipooksygenaza (EC 1.13.11.12; lipooksydaza), mogą należeć do trzeciej kategorii środków wybielających – wybielaczy biochemicznych. Lipooksygenaza została po raz pierwszy odkryta w 1928 r. przez Bohn i Hass jako enzym niszczący karoten („oksydaza karotenowa”) w soi, później nazwana lipooksygenazą. Przyspieszenie utleniania ksantofili do bezbarwnych produktów od dawna uznawane jest za właściwość lipooksygenazy sojowej stosowanej do wybielania mąki pszennej i kukurydzianej. Dostępne są publikacje opisujące próby zastosowania lipooksygenazy również do wybielania produktów mlecznych, w tym serwatki. Już niewielkie ilości lipooksygenazy działają wybielająco na wyroby mleczne, takie jak mleko, ser, masło, śmietana i produkty serwatkowe.
Mechanizm wybielania przez lipooksygenazę opiera się na utleniającym przejściu podwójnych wiązań w karotenoidach przez rodniki wytwarzane w reakcji lipooksygenazy z kwasem linolowym. W pierwszej dekadzie XXI wieku wprowadzono nowy biochemiczny wybielacz płynnej serwatki oparty na peroksydazie grzybowej. Enzym ten jest specyficzny dla karotenoidów, co pozwala uzyskać bielszą serwatkę bez użycia tradycyjnych środków wybielających i potencjalnie zmniejsza niepożądane skutki uboczne tradycyjnych metod wybielania. Podobnie jak wszystkie peroksydazy, preparat wymaga aktywacji niewielkimi ilościami nadtlenku wodoru.
W procesie wybielania serwatki nadtlenkiem wodoru firmy często wykorzystują naturalnie występujący w mleku układ laktoperoksydazy w połączeniu z dodawanym zewnętrznie nadtlenkiem wodoru, aby uzyskać maksymalną skuteczność wybielania płynnej serwatki. Nie ma jednak potrzeby dodawania dodatkowego enzymu ani tiocyjanianu w celu wybielania. Laktoperoksydaza (EC 1.11.1.7) jest naturalnym enzymem występującym w mleku i stanowi około 0,5% całkowitych białek serwatkowych w mleku krowim. Jest drugim co do liczebności enzymem w surowym mleku.
System laktoperoksydazy składa się z trzech składników: laktoperoksydazy, tiocyjanianu (SCN–) i nadtlenku wodoru. Układ ten jest aktywny tylko w obecności wszystkich trzech składników. System ten można stosować do wybielania płynnej serwatki poprzez dodanie niskich stężeń nadtlenku wodoru w celu jego aktywacji. Należy podkreślić, że nie ma potrzeby dodawania dodatkowego enzymu, tiocyjanianu ani katalazy, ponieważ dodany nadtlenek wodoru jest zużywany. Laktoperoksydaza reaguje w obecności nadtlenku wodoru, przekształcając SCN– w hypotiocyjanit (OSCN–), który jest silnym środkiem utleniającym. Hypotiocyjanit reaguje z karotenoidami, takimi jak norbiksyna, utleniając ich wiązania podwójne i usuwając kolor związku. Wymagany czas reakcji może się różnić, ale ogólnie wynosi od 20 do 45 minut w temperaturze 40°C.
Ponieważ w przypadku użycia wybielaczy biochemicznych zachodzi specyficzna reakcja enzymatyczna, a nie ogólne utlenianie, jak ma to miejsce w przypadku utleniających wybielaczy, wybielanie enzymatyczne może zmniejszyć ryzyko pojawienia się niepożądanych smaków.
Podsumowanie
Wybielanie serwatki jest zazwyczaj stosowane na jednym z dwóch etapów jej produkcji. Nadtlenek można dodać do płynnej serwatki po pasteryzacji, przed lub po oddzieleniu tłuszczu, podczas pompowania do zbiornika magazynowego lub w trakcie, gdy retentat serwatki znajduje się w gorącej studzience parownika. Wybielanie przeprowadza się w szerokim zakresie temperatur, od 5°C do 70°C. Stosowane środki wybielające, ich stężenie, czas oraz temperatura różnią się znacznie w zależności od zakładu i specyficznego schematu procesu. Obecnie do wybielania serwatki dopuszczone są jedynie dwa środki – nadtlenek wodoru i nadtlenek benzoilu. Z tych dwóch nadtlenek benzoilu jest często postrzegany negatywnie, a w niektórych krajach jego stosowanie jest zabronione, co ogranicza możliwości przemysłu. Zarówno nadtlenek wodoru, jak i nadtlenek benzoilu mogą pogarszać smak białek serwatkowych, co stanowi istotny problem, biorąc pod uwagę znaczenie walorów sensorycznych w produktach spożywczych. Konieczna jest optymalizacja stosowania obecnych środków wybielających poprzez minimalizację ich stężenia oraz dostosowanie czasu i temperatury ekspozycji. Ponadto rozwój nowych, alternatywnych metod wybielania mógłby pomóc w zminimalizowaniu negatywnych skutków dla smaku i funkcjonalności białek serwatkowych. Wybielanie białek serwatkowych może poprawić ich kolor, ale jednocześnie negatywnie wpływać na ich funkcjonalność oraz smak. Oznacza to, że proces wybielania musi być starannie monitorowany, aby uniknąć niepożądanych zmian jakościowych. Większość badań dotyczących wybielania serwatki jest przestarzała, co stanowi wyzwanie w kontekście postępu technologicznego w przetwórstwie mleka i serwatki. Współczesne metody produkcji oraz przetwarzania serwatki różnią się od tych sprzed ponad 25 lat, co podkreśla konieczność przeprowadzenia nowych badań w tej dziedzinie.
