Пищевые добавки

Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельных систем ПАВ пищевых продуктов

Все научные исследования, касающиеся использования растительных добавок, как пенообразователей или эмульгаторов в технологии пищевых продуктов, посвящены изучению какого-то одного компонента, который, по мнению ученых, ответствен за указанные свойства. Прежде всего, как пектинсодержащее сырье рассматриваются плодовые и овощные пюре, широко используемые в технологии самых разных пищевых продуктов. Пюре из сои, гороха, бобовых рассматриваются как белоксодержащие продукты. Сапонинсодержащими пищевыми пенообразователями и эмульгаторами традиционно принято считать экстракты солодкового и мыльного корней.

Поскольку основные ПАВ пищевых продуктов с растительными добавками являются макромолекулами полиэлектролитной природы, то естественно предполагать, что результаты их электростатического взаимодействия оказывают влияние на формирование их структурномеханических свойств.

Вопрос о совместном использовании белков, пектинов, сапонинов в составе растительной ткани для производства продуктов питания, в науке не рассматривался до настоящего времени. В то же время хорошо известно, что белки способны образовывать в растворе комплексы с полиэлектролитами, в том числе с ионными полисахаридами.

На возможность образования белково-полисахаридных комплексов оказывают влияние различные факторы: температура, рН среды, ионная сила, соотношение белка и полисахарида и др. это глубоко изучено в работах В.Б. Толстогузова и его последователях.

Если преобладающая роль в комплексообразовании принадлежит кулоновским взаимодействиям, то стабильность образующихся комплексов резко падает по мере роста ионной силы раствора. Если же существенный вклад в образование и стабилизацию комплексов вносят некулоновские взаимодействия, такие как водородные связи или же вандерваальсовые, в том числе гидрофобные взаимодействия, то комплексы сохраняют устойчивость при высоких ионных силах.

Установлено, что при любых значениях рН среды, больших изоэлектрической точки белка, независимо от ионной силы раствора, белки и карбоксилсодержащие полисахариды несовместимы и комплексообразование подавлено. Имеющиеся данные о роли белковопектиновых комплексов в технологии пищевых продуктов с пенной или эмульсионной структурой носят противоречивый характер, какиелибо данные о взаимодействии сапонинов с пектинами или белками в литературе вообще не обнаружены.

Характер взаимного влияния сапонинов, белков и пектинов в пенообразовании и эмульгировании исследовали с помощью однокомпонентных и двухкомпонентных модельных систем, отражающих поведение основных ПАВ в растительной ткани и пищевых продуктах с растительными добавками.

Для приготовления модельных систем использовали сапонины, являющиеся различными по силе поликислотами; свекловичный и яблочный пектины, отличающиеся степенью этерификации; изолят соевого белка, яичный альбумин и казеинат натрия, являющиеся представителями белков животного и растительного происхождения, наиболее часто используемых в технологии пищевых продуктов в качестве пенообразователей и эмульгаторов.

Регрессионный анализ пенообразующих и эмульгирующих свойств однокомпонентных систем сапонинов, белков, пектинов позволил выявить следующие закономерности:

  • по способности к пенообразованию исследуемые ПАВ по мере убывания располагаются в ряд: сапонин фирмы Merck > яичный альбумин > изолят соевого белка > сапонин из конских каштанов > казеинат натрия;
  • по способности к эмульгированию ПАВ располагаются в несколько иной последовательности: сапонин фирмы Merck > яичный альбумин > сапонин из конских каштанов > изолят соевого белка + казеинат натрия + яблочный пектин — свекловичный пектин.

На основании результатов исследований модельных двухкомпонентных систем сапонин-белок, сапонин-пектин и белок-пектин, установлена взаимосвязь их пенообразующих и эмульгирующих свойств с результатами электростатического взаимодействия входящих в их состав веществ. С целью получения достоверных результатов исследования, учитывающих поведение основных ПАВ в пищевых системах с различной активной кислотностью, сочли целесообразным исследовать пенообразование и эмульгирование в системах сапонин-пектин и белок-пектин при постоянном, близком к нейтральному, значению рН среды 6,88.

При исследовании двухкомпонентной системы сапонин-белок, рассматривали влияние яичного альбумина, изолята соевого белка и казеината натрия на пенообразующие и эмульгирующие свойства сапонинов фирмы Merck и из конских каштанов. В шести двухкомпонентных системах сапонин-белок массовая доля первого компонента составляла 0,05 %, второго — изменялась от 0,05 до 0,5 % с интервалом 0,05 %. Результаты исследований пенообразования и эмульгирования системы сапонина фирмы Merck с яичным альбумином представлены на рисунке 1. Аналогичные данные получены и для других двухкомпонентных систем сапонин-белок.

Рисунок 1 - Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы сапонин-белок
Рисунок 1 — Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы сапонин-белок

С ростом в данной системе массовой доли второго компонента, значения рН среды все в большей степени смещаются из кислой области в нейтральную, соответственно, согласно теории электростатического взаимодействия, ослабевают условия для образования комплексов между сапонинами и белками, поскольку оба компонента являются поликислотами. Считаем, что в данной системе пенообразующие и эмульгирующие свойства определяются количеством и конкурентной адсорбцией входящих в ее состав ПАВ. Поэтому в одних случаях наблюдается усиление, а в других ослабление способности системы сапонин-белок к пенообразованию и эмульгированию в зависимости от поверхностной активности и способности образовывать МАС на различных границах раздела каждого, входящего в ее состав компонента.

При исследовании двухкомпонентной системы сапонин-пектин рассматривали влияние свекловичного и яблочного пектинов на пенообразующие и эмульгирующие свойства сапонинов фирмы Merck и из конских каштанов. В двухкомпонентных системах сапонин-пектин массовая доля первого компонента составляла 0,05 %, второго — изменялась от 0,05 до 0,5 % с интервалом 0,05 %.

Заметное улучшение пенообразования и эмульгирования отмечено для всех четырех рассматриваемых систем. Результаты исследования пенообразующих и эмульгирующих свойств сапонина фирмы Merck со свекловичным пектином представлены на рис. 6. Аналогичные результаты получены и для других двухкомпонентных систем сапонинпектин.

Считаем, что изменения в данной системе связаны не только с отсутствием комплексообразования между ПАВ как поликислотами и их конкурентной адсорбцией, в которой бесспорным лидером являются сапонины, но прежде всего со снижением степени диссоциации последних с ростом в системе массовой доли другой кислоты — пектиновых веществ. Являясь неионогенными ПАВ, сапонины не теряют способности адсорбироваться на границах раздела с воздухом и маслом в связи со снижением рН среды, но становясь электронейтральными, образуют более прочные МАС, что находит свое отражение в увеличении объема и стабильности пен и эмульсий. Этот процесс интенсивнее протекает в системах со свекловичным пектином, сообщающим им более низкие значения активной кислотности, чем с яблочным.

При исследовании двухкомпонентной системы белок-пектин рассматривали влияние свекловичного и яблочного пектинов на пенообразующие и эмульгирующие свойства яичного альбумина, изолята соевого белка, казеината натрия. В двухкомпонентных системах белокпектин массовая доля первого компонента составляла 0,5 %, второго — изменялась от 0,05 до 0,5 % с интервалом 0,05 %. Результаты исследования пенообразования и эмульгирования системы яичного альбумина со свекловичным пектином представлены на рис. 7. Аналогичные результаты получены и для других двухкомпонентных систем белок-пектин.

Система белок-пектин с ростом массовой доли второго компонента резко теряет способность к пенообразованию и эмульгированию при значениях рН среды близких к изоэлектрической точке белка и особенно при переходе через нее в связи с созданием условий для образования белково-пектиновых комплексов. Очевидно, блокирование в результате взаимодействия с пектинами функциональных групп белков, приводит к потере ими способности адсорбироваться на границах раздела с воздухом и маслом.

С большей скоростью образование белково-пектиновых комплексов происходит в системе со свекловичным пектином, с ростом массовой доли которого в системе быстрее достигается значение рН среды, равное изоэлектрической точке белка, чем с яблочным.

Результаты исследования пенообразования и эмульгирования буферных систем сапонин-пектин и белок-пектин при постоянном значении рН среды 6,88 полностью подтвердили высказанные научные положения, поскольку в данных системах вышеописанные процессы отсутствуют, соответственно не наблюдается резкого изменения их пенообразующих и эмульгирующих свойств (рисунок 2 и 3). Тем не менее, для обеих систем сапонин-пектин и белок-пектин характерна четко выраженная тенденция стабилизации пен и эмульсий, что связано с ростом вязкости систем, сообщаемой им пектинами. В большей степени эта тенденция выражена для систем с яблочным пектином, нежели со свекловичным.

Таким образом, пенообразование и эмульгирование в двухкомпонентных системах сапонин-белок, сапонин-пектин и белок-пектин во многом зависят от их активной кислотности и значений изоэлектрических точек, входящих в системы белков. Естественно предполагать, что поведение аналогичных веществ в добавках из растительного сырья и пищевых продуктах с их участием носит такой же характер.

В целом, представленные результаты исследований модельных систем ПАВ позволяют сформулировать физико-химические основы проектирования пищевых многокомпонентных систем с растительными добавками.

Рисунок 2 - Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы сапонин-пектин
Рисунок 2 — Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы сапонин-пектин
Рисунок 3 - Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы белок-пектин
Рисунок 3 — Пенообразующие и эмульгирующие свойства модельной системы белок-пектин