Использование эмульгаторов в мороженом

Н.КРОГ, Фирме "Даниско Ингредиенте", Дания

Оригинал: "Молочная промышленность" №3, 2000 г.

 

Мороженое известно с древних времен. Однако об использовании при его изготовлении различных ингредиентов заговорили около 150 лет тому назад, когда впервые попробовали применить яичный желток и желатин.

Около 50 лет тому назад Арбакл писал, что ингредиенты придают мороженому желаемые структурные характеристики, а позже Кини и др. отмечали, что хорошее качество, консистенция и "сливочность" мороженого связаны с дестабилизацией в нем эмульсии, которую повышают моноглицериды и полисорбаты.

Найтли установил, что смесь моноглицеридов и полисорбатов обеспечивает необходимое качество мороженого, и в 1950-х годах такие смеси стали обычными эмульгаторами в производстве мороженого. Они и до сих пор широко используются в Северной Америке и других странах, где их применение разрешено.

Однако в Европе органы здравоохранения никогда не давали согласия на применение полисорбатов. В результате основными эмульгаторами для производства мороженого здесь стали моноглицериды. Правда, рассматривались возможности использования и других эмульгаторов.

Так, Ж.Нилсен, изучая некоторые эфиры органических кислот моноглицеридов и полиглицериновые эфиры, установил, что по функциональности лактилированные моноглицериды и моностеарат полиглицерина равны моноглицеридам. Однако эти специфические эмульгаторы не заняли важного места в производстве мороженого. В отличие от действия эмульгаторов в других пищевых продуктах в мороженом они играют роль дестабилизирующих веществ.

При производстве мороженого взбиваемые эмульсии - это эмульсии со стабилизированным белком, преимущественно из молока и сливок, которые сначала необходимо частично дестабилизировать, так как только после этого их можно аэрировать в однородную кремооб-разную пену.

Дестабилизация смеси для мороженого приводит к флокуляции жировых шариков и частичному объединению в процессе созревания при низкой температуре, а также при замораживании. Это способствует аэрации и сухой экструзии мороженого наряду с повышением устойчивости к растаиванию, что объясняется более мелкими пузырьками воздуха в готовом мороженом и улучшенной консистенцией.

Электронная микрофотография структуры мороженого показана на рис. 1.

Рис. 1. Микроструктура мороженого

Рис. 1. Микроструктура мороженого (стрелками показана адсорбция жировых шариков на поверхности раздела воздух- сыворотка)

 

Похожая структура образуется и при взбивании сливок. Плотность и стабильность таких взбитых эмульсий пропорциональны количеству дестабилизированных частиц жира, которые адсорбируются вокруг пузырьков воздуха.

Процесс дестабилизации очень сложен. Он вызывает различные физические изменения в эмульсии мороженого, из которых в последние годы наиболее подробно изучены два: кристаллизация жировых шариков и стабильность поверхности раздела, образуемой белками и эмульгаторами вокруг жировых шариков.

Для процесса дестабилизации очень важным фактором является количество кристаллического жира, образованию которого способствуют триглицериды с высокой точкой плавления. При слишком низком содержании твердого жира взбива-емость сливок или мороженого снижается. Жировая фаза в эмульсиях обычно находится в частично переохлажденном состоянии из-за сокращенного процесса образования центров кристаллизации в эмульгированных жировых частицах. Поэтому кристаллизация проходит медленно, и для достижения ее максимальной степени в смесях для мороженого может потребоваться несколько часов. Сначала она происходит на внешних слоях жировых шариков, образуя вокруг них концентрический кристаллический слой. Затем кристаллы могут проникать через поверхность оболочки шарика, вызывая частичное их соединение. Пример кристаллизации жира в смеси для мороженого приводится на рис. 2.

Рис. 2. Микрофотография жировых шариков

Рис. 2. Микрофотография жировых шариков (концентрированные кристаллические слои вокруг жидкого центра)

 

Влияние эмульгаторов на процесс кристаллизации зависит от их точки плавления и растворимости в жировой фазе. Как видно из рис. 3, насыщенные моноглицериды увеличивают содержание твердого жира в эмульсии мороженого до такой же величины, как и в неэмульгированном кокосовом жире. Степень кристаллизации эмульсии без моноглицеридов ниже.

Рис. 3. Кристаллизация жиров

Рис. 3. Кристаллизация жиров: ! - кокосового масла с точкой плавления 31 СС; 2 - эмульгированных жиров в смеси для мороженого после гомогенизации при 70 °С, охлажденных до 5 °С; 3 - жиров в смеси для мороженого без эмульгаторов (глицеринмоностеарат, смесь с добавлением 0,2 % насыщенных моноглицеридов) - контроль

 

Ненасыщенные моноглицериды оказывают меньшее влияние на кристаллизацию жира, но она зависит от соотношения между насыщенными и ненасыщенными кислотами, которое может значительно отличаться.

Полисорбаты на процесс кристаллизации в эмульсии мороженого влияния не оказывают, так как их избыточное количество, превышающее адсорбированное, растворяется в водной фазе.

Количество белка, адсорбированного на поверхности жирового шарика, которое важно для начальной стабильности эмульсии, уменьшается во время созревания смеси. Это важная часть процесса дестабилизации.

Если адсорбированный слой белков высокий, эмульсия очень устойчива, ее трудно аэрировать в пену желаемой структуры из-за отсутствия флокуляции жировых шариков и последующей адсорбции жировых шариков на поверхности раздела воздух-сыворотка. Поэтому необходимо, чтобы белковая пленка частично десорбировалась с поверхности жировых шариков или изменились плотность белка и физические свойства.

В значительной степени на количество адсорбированного белка, а также на характеристики пленки из него влияют эмульгаторы. Специалистами установлено, что эмульгаторы снижают количество адсорбированного белка.

На рис. 4 показаны изменения в адсорбированном белке, которые указаны как количество белка на единице поверхности, в смеси для мороженого как функция времени созревания при 5 °С. Смесь содержала 10 % кокосового масла, 4 % белка и 0,2 % глицеринмоностеа-рата. Контролем служила смесь без добавления эмульгаторов. Для сравнения показано значение, полученное при использовании 0,2 % полисорбата 60.

Рис. 4. Десорбция белков

Рис. 4. Десорбция белков из жировых шариков во время созревания при 5 °С смеси для мороженого без эмульгаторов (1) и с 0,2 % насыщенных моноглицеридов (2), а также 0,2 % полисорбата 60 (3)

 

Количество белка, адсорбированного на поверхности жировых шариков,определяли с помощью отделения слоев сливок центрифугированием. Такие же анализы белка осуществляли во всей смеси в фазе сыворотки. При этом основывались на среднем размере частиц <s?32 = 0,5 микрона.

В свежей смеси перед созреванием общий, связанный с жиром белок составлял 1,36 %, что соответствует белковой нагрузке 11 мг/м2. В период созревания при температуре 5 °С белковая нагрузка на поверхность снижается приблизительно до 8 мг/м2, что объясняется в какой-то степени кристаллизацией жировых шариков, а также неполным удалением b-казеина из мицелл казеина, адсорбированных на жировых шариках.

В смеси, содержащей моноглицериды, через 24 ч созревания количество адсорбированных белков снизилось с 10,5 до приблизительно 3 мг/ч2.

Похожие результаты описывались и в других источниках.

Известно, что влияние насыщенных и ненасыщенных моноглицеридов с точки зрения адсорбции белков разное. Однако для определения их доли использовались разные материалы и методы, поэтому сделать однозначные выводы о больших различиях между влиянием насыщенных и ненасыщенных моноглицеридов на десорбцию белка во время созревания довольно затруднительно.

Очень эффективными в снижении количества белка, адсорбированного на поверхность жировых шариков, считаются полисорбаты. В процессе эмульгирования при высоких температурах (70-80 °С) они могут снизить количество адсорбированного белка на 80 %, в то время как моноглицериды при высоких температурах оказывают на адсорбцию белков очень незначительное влияние (см. рис. 4).

Таким образом, влияние моноглицеридов на белковую нагрузку связано с температурой и обратимо. Это означает, что если смесь после выдержки в течение данного периода при низкой температуре повторно нагреть, то белковая нагрузка опять достигнет величины, которая была до охлаждения. Этот явление позволяет повторно перерабатывать растаявшее мороженое.

Конкуренция между белками и эмульгаторами за адсорбцию на поверхности раздела между жиром и водой может быть определена измерениями напряжения на поверхности раздела. Такие измерения показали очень большую зависимость действия насыщенных моноглицеридов от температуры. Вместе с тем напряжение на поверхности раздела систем с ненасыщенными моно-глицеридами при снижении температуры не меняется в значительной степени.

На рис. 5 показана сравнительная оценка поверхностного натяжения на границе раздела жир-вода с эмульгаторами в жировой фазе и белками в водном растворе как функция температуры.

Рис. 5. Измерение напряжения

Рис. 5. Измерение напряжения на поверхности раздела систем жир- вода, содержащих 2 % молочного белка в водной фазе ( /), а также 0,2% глицеринмоноолеата (2) и 0,2 % гли-церинмонопальмитата (3) в жировой фазе

 

Если исследовать чистое подсолнечное масло и раствор 2 % молочного белка, то при 40 °С поверхностное натяжение составляет 12 мН/м и незначительно снижается до 11 мН/м как функция времени. Напряжение на поверхности раздела белков не зависит от изменений температуры.

Добавление 0,2 % глицеринмо-нопальмитата в жировую фазу снижает напряжение на поверхности раздела до 10 мН/м при 40 °С. При снижении температуры оно продолжает снижаться и при 5 °С составляет 2 мН/м. Выдержка температуры 5 °С в течение 1 ч приводит к постепенной реадсорбции белков, и при повторном нагревании до 40 °С напряжение на поверхности раздела опять повышается приблизительно до 8 мН/м. Снижение напряжения на поверхности раздела системы глицеринмонопальмитат - белок по сравнению с напряжением чистой белковой системы означает, что глицеринмонопальмитат и белки образуют смешанную пленку на поверхности раздела, где адсорбированные сегменты белков включаются в сегменты молекул адсорбированного эмульгатора. Однако снижение напряжения на поверхности раздела до величины менее 3-5 мН/м свидетельствует о значительной десорбции белков с поверхности раздела.

Если в жировой фазе присутствует глицеринмоноолеат, то напряжение на поверхности раздела снижается приблизительно до 11 мН/м при 40 °С, а затем до 8 мН/м при температуре 5 °С. Это означает, что глицеринмоноолеат на поверхности раздела образует смешанную с белками пленку во всем температурном диапазоне и что при низких температурах глицеринмоноолеат замещает белки не в такой значительной степени, как глицеринмонопальмитат.

Поскольку уже четко определено, что ненасыщенные моноглицериды очень хорошо работают в мороженом, то можно считать, что предполагаемая взаимосвязь между сильным снижением напряжения на поверхности раздела при 5 °С и дестабилизирующим эффектом в эмульсии мороженого отсутствует в эмульсиях с ненасыщенными моноглицеридами.

Дестабилизирующее действие эмульгаторов, таких как моноглицериды, может быть связано с образованием смешанных пленок на поверхности раздела вокруг жировых шариков. Здесь белки и моноглицериды адсорбируются между сегментами адсорбированных на поверхности раздела белков. Такие смешанные пленки более свободно связаны с поверхностью жира, чем пленки из чистого белка, поэтому их легче удалить во время сдвига. Эксперименты с эмульсиями со стабилизированным белком в присутствии растворимых в воде эмульгаторов (полисорбат 20) подтвердили, что дестабилизация может происходит в эмульсиях без значительного смещения белка.

Во время этих экспериментов было также установлено, что изменение поверхностной пленки из чистой белковой в смешанную белок-эмульгатор вызывает более высокую молекулярную мобильность в адсорбированном слое, которая выражается снижением вязкости в поверхностном слое. Это может быть механизмом, с помощью которого моноглицериды способствуют дестабилизации в эмульсиях мороженого.

Удельная площадь поверхности молекулы моноолеата в монослое более высокая, чем монопальми-тата, а это означает, что количество молекул на единицу поверхности у монопальмитата приблизительно в 2 раза выше, чем у моноолеата. Рассчитанные вязкоэластичные модули как функция концентрации эмульгатора показывают, что вязкоэлас-тичный модуль монопальмитата на порядок выше, чем модуль моноолеата. Это может объяснить, почему ненасыщенные моноглицериды дают более сильную дестабилизацию по сравнению с насыщенными.

Известно, что повышенная дестабилизация жира приводит к так называемому "сухому" мороженому после экструзии из фризера; одновременно достигается улучшение его устойчивости к таянию, измеряемой потерей массы за определенное время при 20 °С.

Пелан установил, что устойчивость мороженого к таянию при использовании 0,2 % ненасыщенных моноглицеридов была выше, чем при использовании 0,2 % насыщенных моноглицеридов, о чем писали и другие авторы. Причем при более высоких дозах эмульгаторов разница их действия становилась намного более выраженной: насыщенные моноглицериды давали пониженную устойчивость к таянию по сравнению с концентрацией 0,2 %, в то время как ненасыщенные моноглицериды обеспечивали дальнейшее ее повышение.

Устойчивость мороженого к таянию связана с количеством экстрагируемого жира в мороженом, а эмульгаторы увеличивают количество экстрагируемого жира в следующей последовательности: насыщенные моноглицериды > ненасыщенные моноглицериды > полисорбаты.
Таким образом, использование эмульгаторов в форме моноглицеридов или комбинации полисорбата и моноглицеридов в мороженом способствует дестабилизации эмульсии и повышению сухости экструзии из фризера, более высокой устойчивости к таянию и лучшим характеристикам консистенции готового продукта.