Эмульгаторы

Эмульгаторы добавляются в пищевые продукты с целью создания и стабилизации эмульсий и других пищевых дисперсных систем. Действие эмульгаторов многостороннее. Они отвечают за взаимное распределение двух несмешивающихся фаз, за консистенцию пищевого продукта, его пластические свойства, вязкость и ощущение «наполненности» во рту. Эмульгаторы, создающие условия для равномерной диффузии газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты, носят название пенообразователей. Эмульгаторы, добавляемые в жидкие взбитые продукты для предотвращения оседания пены, называются стабилизаторами пены. Эмульгаторы обладают поверхностно-активными свойствами: концентрируясь на поверхности раздела несмешивающихся фаз, они могут снижать межфазное поверхностное натяжение. Тем самым, термины «эмульгатор» и «поверхностно-активное вещество» (ПАВ) в применении к пищевым ингредиентам можно считать синонимами.

Общие сведения Пищевые дисперсные системы (дисперсии) представляют собой гетерогенные системы из двух или более несмешивающихся фаз с развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, по объему которой распределена дисперсная фаза в виде мелких твердых частиц, капель или пузырьков. Дисперсные системы с частицами крупнее10-4 см обычно называют грубодисперсными, а с частицами от 10-5 до 10-7см — высокодисперсными, или коллоидными. Системы с газовой дисперсионной средой называют аэрозолями и аэрогелями, с жидкой — эмульсиями и суспензиями, системы с газовой дисперсной фазой — пенами. В пищевой промышленности чаще всего встречаются эмульсии, состоящие из воды и масла: прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде» — М/В), и обратные, или инвертные (типа «вода в масле» — В/М). Типичный пример прямой пищевой эмульсии — майонез, обратной — маргарин. Изменение состава эмульсии, либо внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот. Пены также весьма распространены среди пищевых продуктов. Пена представляет собой тонкую дисперсию воздуха в жидкости или твердом теле. Чтобы пена образовалась и могла существовать, необходимо присутствие в системе поверхностно-активных веществ — пенообразователей. Эти же вещества чаще всего выполняют и роль стабилизаторов пены. Как и другие коллоидные системы, пены термодинамически нестабильны. Газ и жидкость, из которых они состоят, стремятся образовать два слоя с минимальной поверхностью раздела фаз. Поэтому пены в готовых пищевых продуктах стабилизируют формированием мельчайших кристаллов сахара (нуга), фиксируют путем термообработки (подсушивание зефира, выпекание бисквита, закаливание мороженого) и добавкой стабилизаторов пены. Пищевые эмульгаторы, пенообразователи и стабилизаторы пены представляют собой органические соединения, обладающие поверхностно-активными свойствами. Их молекулы имеют дифильное строение, то есть содержат лиофильные и лиофобные (обычно гидрофильные и гидрофобные) атомные группы. Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные) при достаточно высокой молекулярной массе способствуют растворению ПАВ в неполярных средах. На границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы — в сторону полярной (обычно водной) фазы, гидрофобные — в сторону неполярной (газовой или масляной) фазы. Таким образом формируется межфазный пограничный слой, благодаря которому снижается поверхностное натяжение и становится возможным или облегчается образование эмульсий. Действие эмульгаторов на этом не заканчивается. Благодаря образованию пространственных и электрических барьеров они дополнительно стабилизируют эмульсии, то есть предотвращают повторное слипание уже сформировавшихся частичек дисперсной фазы и повторное расслоение. Пенообразователи и стабилизаторы пены преимущественно располагаются на поверхности пузырьков воздуха, образуя там прочную пленку, которая усиливает сопротивляемость пузырьков слипанию. В жиросодержащих пенных массах, например в мороженом, эмульгаторы располагаются, на поверхности жировых шариков. Они обеспечивают лучшее распределение жира и одновременно снижают антагонизм жиров и белков благодаря «гидрофилизации» поверхности жира. Кроме того, они способствуют необходимой частичной аггломерации жировых шариков (деэмульгированию). Основные физико-химические и технологические свойства ПАВ определяются т.н. гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ) их молекул. ГЛБ отражает соотношение молекулярных масс гидрофильных и липофильных групп. Величина ГЛБ может иметь значение от 1 до 20 (эмпирическая шкала Гриффита). Эмульгаторы, имеющие ГЛБ 10, преимущественно липофильны, а имеющие ГЛБ > 10 — преимущественно гидрофильны. Чем больше ГЛБ, тем ярче проявляется способность молекулы ПАВ к образованию и стабилизации прямых эмульсий (М/В), чем меньше ГЛБ — тем ярче проявляется способность к образованию и стабилизации обратных эмульсий (В/М). Эмульгаторы, характеризующиеся величиной ГЛБ от 7 до 9, могут применяться в качестве смачивателей (смачивающих агентов), а характеризующиеся величиной ГЛБ от 15 до 18 — в качестве солюбилизаторов. Гидрофильно-липофильный баланс — величина аддитивная, то есть ГЛБ смеси эмульгаторов можно вычислить, сложив ГЛБ компонентов пропорционально их содержанию в смеси. Эмульгатор (или смесь эмульгаторов) ускоряет образование и стабилизирует тот тип эмульсии, в дисперсионной среде которой он лучше растворим. Например, маргарин представляет собой эмульсию типа «вода в масле», поэтому для его получения применяют эмульгаторы с величиной ГЛБ 3...6. Майонез представляет собой эмульсию «масло в воде», и для него используют эмульгаторы, имеющие ГЛБ 8...18. В качестве первых пищевых эмульгаторов использовались натуральные вещества. Типичными и старейшими эмульгаторами являются белок куриного яйца, природный лецитин, сапонины (например, отвар мыльного корня). Некоторые из них сохранили свою популярность и сегодня. Однако более широко в промышленности используются синтетические эмульгаторы, или продукты химической модификации природных веществ, промышленное производство которых начало развиваться в 20-е годы XX в. Целью химической модификации натуральных эмульгаторов является изменение их гидрофильно-липофильного баланса, например, ГЛБ лецитинов можно менять от 2 до 10. Соответственно меняется и их поведение в пищевых системах. Поскольку ГЛБ является величиной аддитивной, смешиванием нескольких эмульгаторов можно получать эмульгирующие системы, поведение которых сильно отличается от поведения компонентов. Например, гидролизованные лецитины (ГЛБ 8) в смесях с другими эмульгаторами могут иметь величину ГЛБ 12. Величина ГЛБ может зависеть от рН среды: например, в нейтральной и щелочной среде ГЛБ аммонийных солей фосфатидиловой кислоты (Е 442) заметно выше, чем в кислой. Наиболее популярными пищевыми эмульгаторами являются моно- и диглицериды жирных кислот (Е 471), эфиры глицерина, жирных и органических кислот (Е 472), лецитины, фосфатиды (Е 322), аммонийные соли фосфатидиловой кислоты (Е 442), полисорбаты, Твины (Е 432...Е 436), эфиры сорбитана, Спэны (Е 491...Е 496), эфиры полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (Е 476), эфиры сахарозы и жирных кислот (Е 473), стеароиллактаты натрия (Е 481), стеароиллактаты кальция (Е 482). Величины их ГЛБ представлены в табл.6.

Таблица 6.Величины гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) и ДСП (JECFA) основных пищевых эмульгаторов

1) В кислой среде; в нейтральной и щелочной заметно выше. 2) ГЛБ меняется от 4 в кислой среде до 12 в нейтральной.

Применение Способность маргарина намазываться, пластичность теста и жевательной резинки, взбитость мороженого определяются диспергирующим действием эмульгаторов. Взаимодействие эмульгаторов с белками муки укрепляет клейковину, что в производстве хлебобулочных изделий приводит к увеличению удельного объема, улучшению пористости, структуры мякиша, замедлению черствения. В маргарине стабилизирующее действие эмульгаторов на поверхность раздела фаз и влияние на процесс кристаллизации жира определяет срок годности, разбрызгиваемость при нагревании и органолептические свойства. В производстве шоколада, шоколадных глазурей и т.п. добавка эмульгатора снижает вязкость шоколадных масс, улучшает их текучесть за счет влияния на кристаллизацию какао-масла. Добавка эмульгаторов в сухое молоко, сухие сливки, супы и т. п. позволяет уменьшить размер жировых шариков и их распределение, что ускоряет и облегчает разведение сухих продуктов в воде. Эмульгаторы применяют для равномерного распределения нерастворимых в воде ароматизаторов, эфирных масел, экстрактов пряностей в напитках и пищевых продуктах. Лецитины (Е 322) являются классическими «природными» эмульгаторами и антиокислителями в яйце, сливках и сливочном масле. В количестве 2…10 г/кг лецитины могут выполнять все функции эмульгаторов, описанные выше. Малая термостойкость (покоричневение) и склонность к гидратации (образование мути) ограничивают возможности применения «нативного» (немодифицированного) лецитина. При модификации «нативного» лецитина расширяется спектр его применения. Так, например, введение ацетогрупп повышает термостойкость лецитина; сложные эфиры лимонной и молочной кислот изменяют его эмульгирующую силу и повышают способность к растеканию и комплексообразованию (антиокислительное действие). Часто используемыми соэмульгаторами лецитинов являются моно- и диглицериды жирных кислот. Обычно их смешивают в соотношениях 1:1; 1:2; 1:3; 2:3. Моно- и диглицериды (Е 471) являются относительно инертными веществами и в большинстве случаев применяются только в активированной форме, например, в форме порошка, полученного распылительной сушкой на подходящем носителе или гидратацией. В большинстве случаев действуют только моноглицериды. В мороженом, десертах и т. п. твердые моноглицериды улучшают взбитость и стабильность пены, в то время как моноглицериды ненасыщенных жирных кислот действуют, скорее, как антивспениваюшие средства. Добавка 0,5 % дистиллированных моноглицеридов к тесту обеспечивает не только улучшение свойств теста и усиление клейковины, но и улучшение качества готового продукта — хлеба, продление его свежести. В сдобных изделиях добавка моноглицеридов позволяет экономить жиры. В жирах, маргаринах, майонезах, кремах добавка 0,5...5 % (предварительно растворенного при подогревании) моноглицерида используется для более легкого и равномерного эмульгирования водной фазы, сохранения стабильной эмульсии при неблагоприятных условиях хранения, устранения «сального» привкуса, облегчения дальнейшей переработки, особенно сбиванием в пенистые продукты. В жировых глазурях и других покрытиях моноглицерид может замедлить отделение жиров, уменьшить липкость, облегчить взбиваемость. Практически единственной областью применения фосфатидов аммония (Е 442) является шоколадное производство. Привлекательность использования именно этих эмульгаторов в производстве шоколада и глазурей заключается в том, что снижение вязкости происходит даже при случайной передозировке фосфатидов выше 1 %. Конденсированные полиоксиэтиленовые цепи придают сложным эфирам моноангидросорбита с жирными кислотами (эфиры полиоксиэтиленсорбитана — Е 432...Е 436) высокую термостойкость, высокую устойчивость к гидролизу, водорастворимость (при высоком содержании полиоксиэтиленов), гидрофильный характер, хорошую смачиваемость, не зависящее от рН действие, высокую активность на границе раздела фаз, диспергирующее действие. Таким образом, полисорбаты являются сильными эмульгаторами систем масло/вода, мало зависящими от свойств диспергируемых фаз. Полисорбаты используются в количестве нескольких граммов на килограмм. Основные области их использования: создание тонких дисперсий эфирных масел и жирорастворимых ароматизаторов в водных «псевдорастворах»; производство маргаринов, жиров для выпечки и жарения, мороженого, сливок для кофе, кексов и т. п. Они создают эмульсии и повышают устойчивость эмульсионных продуктов. В кислых пищевых продуктах полисорбаты выполняют роль пенообразователей и стабилизаторов пены, в жирах для жарки — антивспенивателей. Они регулируют структуру кристаллов жира в маргаринах, жирах для выпечки и т. п. Ацетожирами (Е 472а) являются ди- и триглицериды натуральных жирных кислот с четным числом атомов углерода от С2 до С18, то есть с очень разной длиной цепи. Поскольку они содержат только насыщенные жирные кислоты, они устойчивы к кислороду и свету, а также к осмолению и прогорканию, но легко отщепляют уксусную кислоту. Они едва ли обладают эмульгирующим действием, но могут влиять на кристаллическую структуру и пластичность жиров, выполнять роль смазки, разделяющего агента, образовывать твердые, крепко держащиеся и устойчивые к разрушению покрытия или пленки. Молочнокислые глицериды (Е 472b) являются прекрасными эмульгаторами при взбивании трехфазных систем и облегчают вспенивание (насыщение воздухом/взбивание) теста, маргаринов для выпечки, мороженого, десертов без предварительной обработки. Но их применение ограничивается пенными продуктами с коротким временем жизни. Из-за склонности к гидролизу они могут использоваться только в порошкообразных продуктах. Глицериды лимонной кислоты (Е 472с) применяются в качестве эмульгаторов (обычно в смеси с моноглицеридами) и синергистов антиоксидантов (обычно в смеси с токоферолами) в сосисках и вареных колбасах для предотвращения отделения жира, добавляются в процессе приготовления фарша (обычно вместе с фосфатами в количестве 0,3...0,5 %). В смесях для мороженого, десертов, сухих сливках для кофе и соусах в том же количестве они стабилизируют порошок, облегчают его использование и улучшают взбитость и стабильность готового продукта. Глицериды лимонной кислоты делают возможным одноэтапное приготовление кондитерских изделий, улучшают взбитость и снижают опасность плесневения, в препаратах сухих дрожжей продлевают жизнеспособность дрожжевых клеток, в ароматизаторах используются для защиты от изменения вкуса. Эмульгаторы, обозначаемые как Е472е и E472f (ДВК-эфиры, DATEM), невозможно различить ни при анализе, ни при использовании. Они представляют собой смесь сложных эфиров глицерина с молекулами жирных, винной и уксусной кислот, причем винная кислота может быть этерифицирована еще двумя молекулами глицерида. ДВК-эфиры обладают высокой степенью сродства к пшеничной клейковине и укрепляют в тесте из пшеничной муки мембраны липопротеидов, поэтому используются практически только в хлебопечении при переработке муки со слабой, средней и короткорвущейся клейковиной. Рекомендуется применять ДВК-эфиры, в основном, для приготовления хлеба, в рецептуру которого входит не более 5 % сахара и жира (к массе муки). ДВК-эфиры добавляют в тесто, предварительно растворив в жире или смешав с порошкообразными компонентами. Дозировка составляет от 0,3 до 0,4 % от массы муки, или от 0,2 до 0,3 % от массы выпечки. Все эфиры быстро разлагаются при термической обработке и в готовом (испеченном) изделии практически отсутствуют. Эфиры сахарозы и жирных кислот (Е 473) и сахароглицериды (Е 474) состоят из обычных пищевых продуктов — сахара и жира или жирных кислот — и были бы идеальными пищевыми эмульгаторами, если бы не два недостатка. Во-первых, их производство очень сложное, необходима дорогостоящая очистка от побочных продуктов, катализаторов и растворителей, что сильно удорожает продукт. Во-вторых, эфиры сахарозы очень трудно растворимы, их переработка требует использования растворителей. Эфиры сахарозы и жирных кислот, а также содержащие их сахароглицериды можно применять в различных областях в качестве соэмульгаторов для стабилизации активной формы моноглииеридов. Эфиры сахарозы и сахароглицериды используются в качестве компонента воскожировых составов для покрытий, например, покрытий свежих фруктов. Сложные эфиры жирных кислот и сорбита (Е 491...Е 496) не создают таких проблем при растворении и производстве, как сложные эфиры сахарозы и жирных кислот. Эфиры сорбитана с 1...3 жирными кислотами имеют достаточную растворимость/диспергируемость в пищевых системах. СПЭНы с 2...3 жирными кислотами действуют как эмульгаторы в системах «вода/масло»; моноэфиры, напротив, стабилизируют эмульсии «масло/вода», причем в обоих случаях возможна инверсия фаз. Устойчивость СПЭНов к гидролизу достаточна для пищевых систем. Термостабильность также хорошая. Основные области использования: печенье, кексы, взбитые сливки, мороженое и другие взбитые продукты, дисперсии ароматизаторов, пряные соусы, низкожирные майонезы, маринады, маргарины, жиры для выпечки, шоколад и глазури. Раздельная полимеризация жирных кислот и глицерина с последующей этерификацией ведет к образованию неионогенных, относительно высокомолекулярных эмульгаторов Е 476 — эфиров полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (PGPR). Они поразительно сильно влияют на поверхностное натяжение в системе масло/вода и масло/жировой кристалл. Для этих эмульгаторов (Е 476) есть две различных области применения:

• в качестве эмульгатора и разделителя в разделяющих эмульсиях, спреях и восках (для смазывания пекарских форм, противней, а также формующих и штампующих машин для кондитерских изделий);
• для снижения вязкости темперируемых шоколадных масс при размалывании, вальцевании и коншировании, а также для лучшего формования. PGPR также хорошо подходит для получения тонких, но плотных и прочных шоколадных глазурей (покрытий).

Для ощутимого снижения вязкости шоколадных масс, необходимого при производстве глазурей, концентрация PGPR должна составлять 0,3...0,5 %. При потреблении шоколада с таким высоким содержанием Е 476 его предельно допустимая дневная доза достигается уже при употреблении одной плитки весом 100 г, что недопустимо. При употреблении же тонких шоколадных глазурей на выпечке, в кондитерских изделиях и мороженом опасность превышения ДСП отсутствует даже при такой высокой концентрации. Сложные эфиры пропиленгликоля и жирных кислот (Е 477) имеют величины ГЛБ ниже, чем у моноглицеридов, однако кристаллизуются всегда в a-форме и переводят жиры и другие эмульгаторы, в особенности моноглицериды, в активную и легко гидратируемую а-форму. Поэтому они чаще всего используются в качестве соэмульгаторов, повышая взбитость пен, мороженого, десертов и стабилизируя другие препараты эмульгаторов. Термически окисленное соевое масло (Е 479) применяют в разделительных восках и эмульсиях. Поскольку оно содержит оксистеарины, то может использоваться также в качестве антивспенивателя. Свободная стеароилмолочная кислота трудно поддается механической обработке из-за большого температурного интервала плавления. Лактилаты (Е 481...Е 482), наоборот, хорошо измельчаются до стабильных порошков. Из-за малой термостойкости и неустойчивости в отношении гидролиза лактилаты используются преимущественно в сухих добавках, от которых требуется кратковременная эмульгирующая способность в улучшителях хлеба, хлебобулочных изделий и сладкого теста. В сухих смесях для мороженого и десертов лактилаты улучшают смачиваемость порошка, а в готовом продукте — взбитость и стабильность пены. Часто у них наблюдается синергизм с функциональными белками.

Токсикологическая безопасность и хранение Эмульгаторы в большинстве являются синтетическими веществами, нестойкими к гидролизу. В организме человека они расщепляются на природные, легко усваиваемые компоненты: глицерин, жирные кислоты, сахарозу, органические кислоты (винную, лимонную, молочную, уксусную). Лецитины являются важной составной частью клеточных мембран, а также клеточным транспортом жиров, холестерина и фосфатированных соединений. Поэтому лецитины в настоящее время используются в рецептурах функциональных продуктов питания как одна из важнейших групп нутрицевтиков. Токсикологическими исследованиями Комитета по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ установлено допустимое суточное поступление эмульгаторов в организм человека (см. табл. 6). Срок годности эмульгаторов, в зависимости от товарной формы, составляет от нескольких месяцев до двух лет. Эмульгаторы должны храниться в сухом месте и быть защищены от прямых солнечных лучей и длительного воздействия тепла. Емкости, в которых хранят добавку, обязательно следует плотно закрывать после отбора каждой порции.

Л. А. Сарафанова Применение пищевых добавок Технические рекомендации 6-е издание, исправленное и дополненное Санкт-Петербург ГИОРД 2005