Значимость эмульгаторов при производстве молокосодержащих продуктов

В настоящее время в пищевой отрасли широко используются эмульгаторы, что связано с необходимостью получения эмульсионных продуктов разного состава с разными физико-химическими и реологическими свойствами. Объемы потребления эмульгаторов в большой степени определяются развитием основных потребителей этих ингредиентов: масложировой, молочной, маргариновой, хлебопекарной и кондитерской отраслей пищевой промышленности [1].

Доля эмульгаторов в структуре импорта сложных пищевых ингредиентов составляет 6,7%. Объем рынка эмульгаторов в России на сегодня – 34 300 тонн, максимальное потребление приходится на простые эмульгаторы – 22 тыс. тонн, лецитины – 8 500 тонн, сложные эмульгаторы - 3 тыс. тонн. Чаще всего эмульгаторы используют в кондитерской отрасли – на ее долю приходится 49% потребления, 35% - на производство хлебобулочных изделий, 16% суммарно - на производство спредов и маргаринов.

Основными поставщиками эмульгаторов были ЕС, Малайзия и Индонезия. Послевведениясанкциймногиепроизводителиэмульгаторов прекратили поставки в нашу страну. В последнее время наблюдается сдвиг импорта в сторону Китая, Индии и Малайзии [2].

Цели и задачи исследования

Интерес представляет изучение проблемы зависимости российского рынка ингредиентов от импорта эмульгаторов, а также необходимость применения этих ингредиентов для производства качественных пищевых продуктов. В связи с этим в данной работе поставлена цель –проанализировать влияние эмульгаторов в производстве молокосодержащих продуктов, оценить долю эмульгаторов в структуре импорта, ассортимент эмульгаторов и их применение касательно конечного продукта.

Объекты и методы исследования

Предметом исследования стала информация из научно-технической ипатентнойлитературыовлиянииразличныхкомпозицийэмульгаторовна структурообразование и качество конечного продукта при производстве молокосодержащих продуктов. Поиск литературы осуществлялся в электронных базах данных (Scopus, Elibrary и GoogleAcademy) по ключевым словам: молокосодержащий продукт, спред, эмульгатор, моно- и диглицериды жирных кислот на русском и английском языках. Для оценки информации, приведенной в литературных источниках, использовался теоретический метод научных исследований – анализ и синтез. Отдельные вопросы, в частности по объемам производства и импорта пищевых добавок, рассматривались в рамках информации, доступной для широкой аудитории.

Результаты и их обсуждение

В молочной и масложировой отрасли эмульгаторы чаще всего применяют при производстве спредов. Поэтому ключевым решением для производителей спредов является использование моно- и диглицеридов жирных кислот, которые позволяют достичь однородной пластичной консистенции продукта. Доля моно- и диглицеридов жирных кислот в общем объеме потребления пищевых эмульгаторов превышает 70%. Кроме этого, хорошими эмульгирующими свойствами также обладают фосфолипиды, молекулы которых имеют дифильную природу [3].

Моно- и диглицериды жирных кислот (Е 471) относятся к низкомолекулярнымнеионогеннымэмульгаторам,широкоиспользуемым в производстве различных пищевых продуктов. Назначение моно- и диглицеридов жирных кислот в качестве эмульгатора изложена в ТР ТС 029/2012 [4] со следующим определением: «Эмульгатор - пищевая добавка, предназначенная для создания и (или) сохранения однородной смеси двух или более несмешивающихся фаз в пищевом продукте». Следует отметить, что помимо формирования и стабилизации эмульсий, эмульгаторы улучшают гидратацию водорастворимых твердых сухих веществ и повышают водоудерживающую способность продуктов.

Эффект моно- и диглицеридов жирных кислот как эмульгаторов обусловлен особенностями их молекулярного строения, которые дифильны и состоят из двух частей: гидрофильной (полярной) и липофильной (неполярной). Гидрофильные и липофильные группы атомов сосредоточены напротивоположных концах молекулы иотделены друг от друга. Поэтому моно- и диглицериды жирных кислот проявляют поверхностную активность и способны самоадсорбироваться на границе раздела жировой и водной фаз, снижая поверхностное натяжение, вызванное несбалансированностью межмолекулярного взаимодействия сопредельных фаз. Однако эмульгаторы могут стабилизировать эмульсию, формируя на границе раздела фаз компактную пленку, обладающую определенной механической прочностью и защищающую частицы эмульсии от возможных столкновений и взаимного слияния (коалесценции).

При производстве молокосодержащих продуктов эмульгирование заменителя молочного жира (ЗМЖ), как правило, осуществляется в обезжиренном молоке, белки которого участвуют в образовании эмульсии. Поверхностная активность белков обусловлена наличием в их молекулах липофильных аминокислот (фенилаланин, лейцин, изолейцин). В процессе эмульгирования ЗМЖ белки располагаются таким образом, что липофильные группы проникают в жировые капли, а гидрофильные части молекулы диспергируются в водной фазе. Молекулы белка могут адсорбироваться на каплях жира несколькими гидрофобными участками одной и той же молекулы. При таком расположении белки могут образовывать петлевую структуру, создающую стерическое препятствие для коалесценции. Поскольку белки молока являются заряженными частицами, они также могут стабилизировать жировую эмульсию за счет отталкивания аналогично заряженных частиц [5].

Очевидно, что для достижения полноценных эмульгирующих свойств молочные белки с глобулярной конфигурацией должны быть денатурированы. В этом случае липофильные группы белковых молекул, ранее скрытые внутри глобул, при раскрытии глобулы выходят на поверхность и проникают в жировую фазу, а гидрофильная часть белковых молекул диспергируется в водной фазе. В результате гибко развернутые белковые молекулы покрывают поверхность капли жира, располагаясь на границе раздела водной и жировой фаз.

В исследовании [6] показано, что наиболее стабильная эмульсия достигается при использовании сухого обезжиренного молока, наименее стабильная – при применении сывороточных белков. Однако стабильные эмульсии могут быть получены и при использовании сывороточных белков, если их денатурировать пастеризации после составления эмульсии. Если жиры содержат поверхностно-активные липиды, такие как моноглицериды, которые адсорбируются быстрее, чем белки, может возникнуть энергетический барьер для адсорбции белка, что возможно повлияет на количество адсорбированного белка и на его десорбцию. Однако из-за низкого количественного соотношения «эмульгатор/белок», полная десорбция белка не происходит.

Кроме того, во многих эмульсиях, содержащих белки и низкомолекулярные эмульгаторы, на границе раздела фаз происходят взаимодействия с образованием комплексов [5]. При этом формируется не только петлевая структура белка, но и утолщается адсорбционный слой на границе раздела фаз за счет возможного образования комплекса между белком и эмульгатором.

Таким образом, из-за особенностей молекулярной структуры поверхностная активность белков обычно ниже, чем у типичных эмульгаторов, к которым относятся моно- и диглицериды жирных кислот. Таким образом, это может вызвать синергетический и негативный эффект на функциональность низкомолекулярных эмульгаторов, используемых в процессе производства или в конечном продукте [7]. С другой стороны, моно- и диглицериды более активны, чем белки, и могут проявлять деэмульгирующие свойства. Деэмульгаторы – это вещества, которые разрушают оболочку жировых глобул, тем самым удаляя белковые молекулы с их поверхности.

В работе [8] при использовании неионного эмульгатора (смеси эфировполиглицеринаистеариновойкислоты) наблюдалосьувеличение деэмульгирующего эффекта эмульгирования молочного жира и количество свободного жира в обезжиренном молоке. Это объясняется адсорбцией эмульгаторов на поверхности жировых глобул и удалением белков с их поверхности. Образовавшаяся оболочка эмульгатора была значительно слабее белков молока. Добавление казеината натрия в обезжиренное молоко перед эмульгированием значительно снижает количество свободного жира в эмульсии, в то время как добавление фосфатидов не оказывало существенного влияния на количество свободного жира.

Из вышесказанного следует, что при производстве молокосодержащих продуктов эмульгирование ЗМЖ, содержащем моно- и диглицериды жирных кислот, в обезжиренном молоке предполагает сложный механизм формирования эмульсии, связанный с конкурирующей адсорбцией различных по своему происхождению эмульгаторов (белков и моноглицеридов) на поверхности раздела фаз. При этом функциональность моноглицеридов жирных кислот, как эмульгатора, не будет столь однозначной в присутствии других поверхностно-активных веществ, например белков.

В молочной промышленности моно- и диглицериды жирных кислот давно применяются в технологии изготовления мороженого [9]. Их функциональная роль и физико-химическая природа воздействия теоретически обоснованы для данного продукта. Органолептические показатели мороженого связаны с дестабилизацией жира в эмульсиях, что усиливается моноглицеридами и последующим образованием свободного жира, который в результате агломерации и частичной кристаллизации формирует непрерывную «сеткообразную» трехмерную структуру, придающую мороженому прочность и устойчивость к таянию [10].

В то же время роль эмульгаторов, по-видимому, заключается в следующем:

• •    способствуют десорбциибелковсповерхностижировыхкапель благодаря своей высокой относительной поверхностной активности и возможному образованию жидкокристаллических мезофаз;

• •    выступаютвкачествецентровкристаллизации триглицеридов;

• •    способствуют проникновению кристаллов жира в оболочку

жировых глобул за счет изменения поверхностного натяжения между различными фазами;

• •    способствуют начальному формированию и стабилизации пены мороженого до частичного слияния и замерзания жировых глобул.

При изготовлении спредов с пониженным содержанием жира необходимо поддерживать баланс между стабильностью эмульсии и органолептическими свойствами, которые зависят как от состава, так и от методов производства [11].

При производстве спредов необходимо получить относительно стабильную эмульсию на стадии ее подготовки к переработке в конечный продукт (эмульсия прямого или обратного типа), которая может быть преобразована в стабильный по структуре спред при термомеханической обработке. Стабильность и требуемые органолептические характеристики достигаются сочетанием подходящей жировой основы и правильно подобранного эмульгатора [5].

Для производства спредов на линиях с пастеризацией эмульсии можно рекомендовать использовать комплексный эмульгатор, представляющий собой смесь моноглицеридов Е 471 и лецитина. Наличие лецитина в составе комплексного эмульгатора позволяет улучшить намазываемость и пластичность конечного продукта.

Количество используемого эмульгатора может зависеть от типа оборудования, применяемого для изготовления спреда. Кроме своих технологических функций, эмульгатор может повысить пищевую ценность получаемого эмульсионного продукта. В состав комплексных пищевых эмульгаторов могут входить фосфолипиды, которые обладают отличными эмульгирующими свойствами и являются физиологически ценными компонентами, в т.ч. обладают антиоксидантной активностью. При добавлении данного эмульгатора в рецептуры спредов наблюдалось увеличение окислительной стабильности [12].

Кроме того, эмульгаторы в рецептурах спредов помогают контролироватьпроцесскристаллизациижиров,т.к.влияютнаизменение полиморфной формы, размера и скорости роста кристаллов жира, могут обеспечить улучшение сливочного вкуса и других характеристик продукта (пластичность, однородность, плотность, намазываемость, удерживание жидкого жира в матрице кристаллической структуры продукта) [13].

Известен опыт использования моно- и диглицеридов жирных кислот в производстве плавленых сыров. В отличие от продуктов маслоделия и мороженого дестабилизирующее действие этих ингредиентов на стабильность оболочек жировых глобул не считается технологически необходимым эффектом в плавленых сырах, однако все исследователи отмечают, что при использовании моноглицеридов в сочетании с фосфорнокислыми солями-плавителями улучшается их консистенция. В первую очередь, это было связано с увеличением гидрофильности сырной массы [14].

В работе [15] исследовалось влияние добавления моноглицеридов с различным количеством атомов углерода в цепи жирной кислоты (8, 10, 12, 16 и 18) на вязкоупругие и сенсорные свойства плавленых сыров. Результаты показали, что с увеличением количества атомов углерода в молекуле жирной кислоты увеличивались как модуль упругости G’, так и модуль потерь G″, но органолептические исследования показали, что твердость увеличилась, а пластичность снизилась только в плавленых сырах с высоким содержанием жира (с массовой долей жира в сухом веществе 50 %). Тем не менее авторы пришли к выводу, что использование эмульгаторов следует рассматривать как крайне важный фактор, влияющий на конечную консистенцию плавленого сыра.

В исследовании [16] было отмечено, что взаимодействие казеина с низкомолекулярными эмульгаторами в модельном плавленом сыре было таким же, как и в модельных пищевых эмульсиях с жидкой непрерывной фазой. Добавление моноглицеридов в плавленый сыр усиливает синерезис и приводит к более тонкому распределению жира в белковой матрице.

При производстве натуральных сыров запрещено использовать эмульгаторы и стабилизаторы структуры. Стабилизаторы разрешены для использования в некоторых рецептурах мягких и сывороточных сыров. В нашей стране указанные добавки разрешены для молокосодержащих продуктов с ЗМЖ, произведенных по технологии сыров. Производители ЗМЖ поставляют жировые композиции, содержащиенизкомолекулярные эмульгаторы (как правило, моно- и диглицеридами жирных кислот) для упрощения процесса эмульгирования и получения мелкодисперсных эмульсий.

Использование эмульгаторов при производстве молокосодержащих продуктов с ЗМЖ, произведенных по технологии сыров, является оправданным, если они проводятся на основе восстановленного молока, не образующего плотного сгустка при ферментативной коагуляции [17], а также при изготовлении низкожирных продуктов, для которых характерна излишне плотная консистенция и невыраженный сырный вкус из-за отсутствия продуктов липолиза жира [18]. Было установлено, что эмульгаторы действуют аналогично ЗМЖ, улучшая связывание воды в белковой матрице или способствуя образованию агрегатов эмульгатора с белком, похожих по размеру на жировые глобулы. Эти агрегаты имитируют эффект жира в сырной матрице и улучшают текстурные характеристики сыра [19].

По объемам производства разнообразной пищевой продукции, очевидно, что бόльшая доля эмульгаторов применяется для спредов, изготовляемых как на молочных предприятиях, так и на масложировых. В спредах эмульгаторы выполняют следующие функции:

• •    обеспечивают стабильность водно-жировой эмульсии благодаря эффективному влиянию на процесс диспергирования жира в плазме;

• •    контролируют процессы кристаллизации жиров, т.е. улучшают сливочный вкус и другие характеристики, влияя на изменение полиморфизма, размера и скорости роста кристаллов жира;

• •    повышают твердость и термоустойчивость спреда и участвуют в его структурообразовании;

• •    образуют структурные связи в продукте, делая его устойчивым к замораживанию и оттаиванию, способствуют созданию однородной, пластичной консистенции продукта, которая легко восстанавливается после разрушения;

• •    предотвращают выделение влаги и жидкого жира из монолита продукта при длительном хранении.

Эмульгаторы эффективно влияют на процесс диспергирования жира в плазме, обеспечивая тем самым стабильность водножировой эмульсии, способствуют созданию однородной, пластичной консистенции продукта, благодаря образованию структурных связей в продукте они устойчивы к замораживанию и оттаиванию, и они легко восстанавливаются после разрушения. Кроме того, эмульгаторы в составе спредов контролируют процессы кристаллизации жиров, т.е. влияют на изменение полиморфной формы, размер и скорость роста кристаллов жира, тем самым улучшают сливочный вкус и другие характеристики. Правильный выбор эмульгатора может повысить твердость и термоустойчивость продукта, участвовать в формировании его структуры, а также предотвращать выделение влаги и жидкого жира в монолите продукта при длительном хранении [12].

Заключение

Сегодня в пищевой отрасли очень востребованы эмульгаторы, которые долгое время импортировались из-за рубежа. В связи с этим в настоящее время важна работа по организации отечественного производства ингредиентов целевого назначения, способных регулировать качество выпускаемой продукции. Это направление отвечает требованиям «Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года» и программам по ее реализации. При этом особую значимость приобретают исследования свойств отечественных ингредиентов. Эти знания позволят более эффективно и квалифицированно применять эмульгаторы в разных пищевых отраслях. Особенно важным является изучение влияния разработанных ингредиентов на свойства готовых продуктов. При достижении соответствующих результатов по качеству, степени чистоты и положительному влиянию на спреды и другие молокосодержащие продукты отечественные эмульгаторы смогут заместить все виды их зарубежных аналогов.

Мини-обзор подготовлен в рамках Государственного задания по теме FGUS-2024-0008.