Обогащение молочных продуктов пищевыми волокнами

На консистенцию кисломолочных гелей существенное влияние оказывает содержание в молоке сухих веществ или уровень белка. Особенно большое значение это имеет для нежирных и низкожирных продуктов, поскольку это практически основной фактор, определяющий качество структуры и ее стабильность.

Регулирование структурно-механических свойств кисломолочных напитков с помощью таких средств, как подбор режимов технологической обработки, заквасок, повышение содержания сухих веществ в молоке, не оказывает достаточного влияния при их крупнотоннажном производстве резервуарным способом.

Поиск других путей улучшения и стабилизации консистенции кисломолочных напитков показал, что использование компонентов немолочного происхождения, в частности загустителей и стабилизаторов, оказывает значительное влияние на их структурно-механические свойства. Поэтому представляет интерес рассмотреть степень влияния стабилизаторов, загустителей на формирование консистенции этих напитков.

Для улучшения консистенции кисломолочных напитков (в основном йогурта) и повышения их стойкости в хранении часто используют стабилизирующие добавки (гидроколлоиды) растительного и животного происхождения.

Допускается в качестве необязательных применение следующих веществ, изменяющих структуру кисломолочных продуктов: агар-агара, каррагинана, гуаровой смолы, камеди рожкового дерева — не более 5 г/кг, натрийкарбоксиметил-целлюлозы (одну или в комбинации), натриевых, калиевых или кальциевых альгинатов, ксантановой смолы, модифицированных крахмалов — не более 10 г/кг, желатина, пектина, крахмалов нативных (в необходимых количествах).

Вещества природного происхождения, являющиеся, как правило, пищевыми компонентами или полученные из растений, употребляемых в пищу, относительно безвредны для человека. Они имеют различную пищевую ценность. Так, желатин, нативные крахмалы обладают значительной пищевой ценностью и полностью усваиваются организмом, пектин — примерно только на 12 %. Пектин, агар, альгинаты, каррагинан, некоторые камеди, метилцеллюлоза с гигиенической точки зрения абсолютно безвредны как практически неметаболизируемые вещества, полностью выводящиеся из организма. Пектин и альгинат применяют в продуктах функционального назначения в качестве лечебно-профилактических добавок.

Стабилизаторы, применяемые для стабилизации и улучшения консистенции кисломолочных напитков, относящиеся к гидроколлоидам, содержат гидрофильные группы, с которыми вступает во взаимодействие вода. У гелеобразователей (пектина, каррагинана и т.д.) возможно обменное взаимодействие с неорганическими ионами, в особенности с ионами водорода и кальция, с меньшими органическими молекулами, например ионо- или олигосахаридами и т.п. Например, молекулы низкометоксилированного пектина взаимодействуют между собой за счет свободных карбоксильных групп, связываемых Са-ионами в прочный каркас. Такие студни называются ионносвязанными. Высокометоксилированный пектин образует студень за счет побочной валентности, т.е. водородных связей при участии недиссоциированных свободных карбоксильных групп. Эффективная стабилизация продукта пектином наблюдается при рН около 4,0. Уменьшение рН на 0,5 приводит к резкому снижению стабилизирующего эффекта. Пектин, как и каппа-каррагинан, относится к группе молочно-активных полимеров. Эффект стабилизации проявляется путем образования дополнительных связей между биополимерами в системе белок - полисахариды, т.е. желирующий эффект усиливается в результате дополнительного взаимодействия с молочными белками. Каррагинан в отличие от пектинов способен образовывать комплексы с отрицательно заряженными молекулами казеина также в отсутствие ионов кальция. Пектин и каррагинан проявляют свойства желеобразователей. Каррагинан, кроме того, является загустителем/9/.

Камеди (смолы) при довольно низкой концентрации (0,1-1 %) образуют в воде вязкие растворы с псевдопластическим поведением, проявляют свойства эффективных загустителей и стабилизаторов в многофазных смесях. Растворы камедей устойчивы к небольшим сдвиговым напряжениям, имеют высокую тиксотропность. Вязкость растворов при невысоких температурах меняется незначительно. При нагревании от 20 до 40 °С она снижается примерно на 2%,от 20 до 80°С - на 14%.Ксантановая камедь — анионный полимер, не всегда может быть совместима с катионами. Ксантан устойчив к действию кислот и щелочей, высоких температур, совместим с другими загустителями и гелеобразователями и проявляет синергетический эффект в комбинации с гуаровой камедью, камедью рожкового дерева, агаром, каррагинаном, карбоксиметилцеллюлозой. В кислой среде камеди (гелановая, ксантановая) используют для формирования геля ионы кальция, в результате его прочность увеличивается. Вязкость растворов повышается с течением времени (до 24 ч), т.е. происходит набухание. Ее оптимум наблюдается при рН 8,0, при отклонении рН в ту или другую сторону вязкость снижается.

Альгинаты и агар проявляют похожие свойства. Кроме загущения и стабилизации обладают также желирующей способностью. На реологические свойства гелей большое влияние оказывают ионы кальция. В сочетании с Са++ они способны образовывать плотное желе при низких концентрациях. Альгинат кальция обладает мощной сорбирующей способностью по отношению к солям тяжелых металлов и радионуклидам.

Производные целлюлозы — загустители, стабилизаторы, эмульгаторы — образуют в воде растворы, вязкость которых зависит от степени полимеризации. Растворы псевдопластичны, тиксотроны, стабильны в широком диапазоне рН. Их вязкость зависит от температуры. При нагревании от 20 до 60 ° С она уменьшается в 3-5 раз в зависимости от условий нагревания. Взаимодействуют с белками с образованием стабильного комплекса при рН от 3,5 до 5,5. При рН ниже 3,5 комплекс нестабилен и осадок разделяется, выше 6,0 образуется нерастворимый комплекс. Эта реакция зависит от присутствия ионов кальция. Карбоксиметилцеллюлоза, как и другие камеди, в определенных концентрациях и при нейтральном рН обратимо реагирует с протеинами молока с отделением сыворотки. Добавление небольшого количества каррагинана вызывает уменьшение или устранение явления разделения/10/.

Нативные крахмалы в зависимости от вида и степени зрелости их источника представляют собой линейный полимер глюкозы - амилозу или разветвленный полимер - амилопектин, или содержат оба типа структур. Кроме того, в крахмалах картофельных кроме глюкозных остатков есть ортофосфаты, образующие конечные группы молекул. Вязкость и прочность желе, полученных фракциями с линейной цепью, зависят от молекулярной массы. Крахмалы с высоким содержанием амилопектина (восковые) образуют не прочные желе, а мягкие пасты, склонные больше к текучести, чем к разрыву при приложении растягивающего усилия.

Крахмалы (окисленные, фосфатные, гидроксипропиловые), модифицированные в результате разнообразных видов воздействия (физического, химического, биологического), отличаются по степени гидрофильности, способности к клейстеризации и студнеобразованию, образуют клейстеры пониженной вязкости, заданных структур и свойств. Полученные путем специальной обработки, они приобретают повышенную студнеобразующую (окисленный крахмал), а также загущающую, стабилизирующую и эмульгирующую в системах вода - белок, жир - вода и другие способности. Эта обработка повышает устойчивость этих систем к изменению кислотности среды, действию высоких температур, перемешиванию и перекачке. На реологические свойства клейстеров влияют, кроме вида, дозы крахмала, степень и условия его гидратации (температура, продолжительность нагревания, сдвиговые нагрузки), рН.

Крахмальные зерна при нагревании набухают. При обработке конечный продукт должен содержать максимальное количество неповрежденных, полностью набухших гранул крахмала. Это обеспечивает оптимальную вязкость, хорошую консистенцию, стабильность в хранении. Гомогенизация до набухания не приводит к разрушению структуры. При гомогенизации после клейстеризации есть риск разрушения крахмала, поэтому необходимо использовать высокоустойчивые модификации. Степень гидратации (разваривания) крахмала повышается с увеличением температуры, длительности выдержки и усилия сдвига в определенных пределах.

Крахмалы не взаимодействуют с протеинами молока.

В системах, образованных гидроколлоидами, вода связывается водородными связями и фиксируется трехмерной сеткой, образующейся в результате меж- и внутримолекулярных связей между молекулами гидроколлоида и (или) между молекулами гидроколлоида и белка, что приводит к изменению текстуры системы. Смеси растворов белков, а также белков и полисахаридов, каковыми являются стабилизирующие вещества, при переводе их в гелеобразное состояние образуют смешанные или комплексные гели или и те и другие. Смешанные гели состоят из раздельных взаимопроникающих непрерывных сеток. Они образуются, когда между компонентами системы отсутствует взаимодействие. В этом случае ускорение и углубление процессов структурообразования происходит в результате действия эффекта исключенного объема и фактора энергетической несовместимости, благодаря которым раствор одного гидроколлоида является худшим растворителем для другого гидроколлоида по сравнению с водой. Комплексные гели образуются в результате взаимодействия компонентов системы. Термотропные комплексные гели возникают при понижении температуры, ионотропные — при изменении ионного состава или рН и взаимодействия с ионами металлов.

Стабилизаторы используют в производстве кисломолочных напитков, в основном йогурта, для предотвращения отделения сыворотки, улучшения консистенции и вязкости продукта, когда этого нельзя достичь применением адекватных технологических и технических средств/11/.

2.2 Пищевые волокна как  пребиотики

Производство функциональных продуктов - наиболее активно развивающийся сегмент продовольственного рынка во всем мире. Выпуск продуктов, обогащенных веществами, имеющими пребиотичекую активность, так называемыми пребиотиками, растет из года в год.

Пребиотик - это неперевариваемый пищевой ингредиент, благотворно влияющий на организм за счет избирательной стимуляции роста и/или активности одного или нескольких видов бактерий толстого кишечника и таким образом улучшающий здоровье организма.

В рационе человека с древних времен содержалось большое количество пребиотиков. Американский ученый Джефф Лич, исследующий образ питания древнего человека, отмечал, что «генетически мы являемся собирателями и охотниками, и нашему генотипу соответствует рацион, основанный на растительной пище, богатой пищевыми волокнами и пребиотиками». Данные археологических раскопок в разных частях мира показывают, что пребиотики употреблялись в пищу человеком более 40 тыс. лет назад. Исследования хорошо сохранившихся древних стоянок в местах с засушливым климатом и медленной эрозией почв позволили выдвинуть гипотезу о том, что ежедневный рацион древнего человека содержал около 200 г различных пищевых волокон, в том числе до 50 г инулина, встречающегося во множестве корнеплодов.

Современный рацион, наоборот, содержит мало волокон, зато много жиров и очищенных углеводов. В большинстве развитых стран ежедневное потребление пищевых волокон составляет менее 20 г, а пребиотиков - не превышает 2-4 г. Но в отличие от нашего образа жизни и диетических привычек наш генетический код не претерпел столь же значительных изменений.

Пребиотики — вещества разнообразные по происхождению и по свойствам. В классической теории, сформулированной учеными более 10 лет назад, к пребиотикам относили только три вещества: инулин (и олигофруктозу), галактоолигосахариды (встречаются в грудном молоке) и лактулозу. Современные специалисты значительно расширили этот список.

В настоящее время в пищевой промышленности продвигаются в качестве пребиотиков как классические, уже хорошо изученные, соединения, так и новые вещества, например смола акации, резистентные крахмалы, полидекстроза. И с развитием науки таких веществ применяется все больше и больше.

Некоторые ингредиенты, имеющие пребиотическую активность, применяют в пищевой промышленности не только благодаря их диетическим свойствам, но в связи с их технологическими возможностями (улучшение структуры, замена сахара, жира и т.д.). В зависимости от вида продукции основными для применения могут быть или диетические, или технологические, или и те и другие свойства вместе.

Все представленные пребиотики можно оценить по двум основным критериям. Во-первых, по происхождению - натуральное это вещество или получено химической или какой-либо другой модификацией природных компонентов, то есть не натуральное, не встречающееся в природе. Среди популярных пребиотиков натуральными являются: инулин (олигофруктоза), галактоолигосахариды и смола акации. К пребиотикам не природного происхождения относятся: лактулоза — изомер лактозы из молочной сыворотки; полидекстроза - вещество, получаемое термической поликонденсацией глюкозы; резистентные крахмалы, получаемые химической модификацией крахмалов. Второй критерий — насколько изучено это вещество: его свойства и действие на организм человека.

Наиболее использующиеся в молочной промышленности пищевые волокна выступающие в качестве пребиотиков- инулин и олигофруктоза/12/.

Инулин, полисахарид, получаемый из корнеплодов  цикория  и  топинамбура -  самое исследованное вещество из пребиотиков на сегодняшний день.

Мировой объем производства инулина- 100 тыс. тонн в год. Практически весь промышленный инулин получают из корнеплодов цикория, а не топинамбура, хотя содержание инулина в них приблизительно одинаково - 16 %. По словам Майи Перковец, цикорий легче перерабатывать, у его корнеплодов более правильная форма. Молекула инулина из цикория имеет большую длину цепи. Длина цепи полисахарида важна для его технологических свойств, например имитации жира: Чем длиннее цепь, тем меньше растворим инулин в воде, лучше образует гель, более устойчив к гидролизу. Самое лучшее по климатическим условиям место для выращивания цикория - север Бельгии и юг Голландии. Именно в этих странах находятся мировые лидеры в производстве инулина.

На американском континенте пытаются производить инулин из агавы — агавин. Агавин отличается по свойствам от европейского инулина прежде всего потому, что его молекула представляет собой сильно разветвленную цепь полисахарида. Поэтому агавин лучше растворяется и почти не образует гель с водой/8/.

Инулин и олигофруктоза - не только пребиотические волокна с множеством полезных эффектов для организма. Это еще и технологичные ингредиенты. Инулин может образовывать с водой кремообразный гель с очень короткой, жироподобной текстурой и таким образом имитировать присутствие жира в обезжиренных продуктах, обеспечивая им полноту текстуры и вкуса, присущих продуктам обычной жирности. Кроме того, инулин улучшает стабильность аэрированных продуктов (мороженого, муссов) и эмульсий (спредов, соусов). Олигофруктоза может частично и полностью заменять сахар, причем без потери традиционного вкуса/13/.