Bożena Waszkiewicz-Robak, Franciszek Świderski
Hydrokoloidy pochodzenia roślinnego jako zamienniki żelatyny
Plant hydrocolloids as replacements of gelatin
Katedra Dietetyki i Żywności Funkcjonalnej Wydziału Nauk o Żywieniu Człowieka i Konsumpcji,
SGGW w Warszawie
Kierownik Katedry: prof. dr hab. Franciszek Świderski
Summary
It was presented a characteristic of gelatin used in manufacturing of many processed food products, for example: meet foods, poultry foods, fish foods, sweets, food concentrates, deserts, ready to eat foods. The functional properties of gelatin was described in comparison to parallel properties of polysaccharide hydrocolloids that are classified as additives of texture profiling properties and might be used as gelatin replacements.
Wprowadzenie
Wykorzystanie substancji żelujących w produkcji wyrobów spożywczych umożliwia kształtowanie tekstury żywności, nadając im często cenne walory smakowe i dietetyczne. Tradycyjnie wykorzystywanymi w technologii produkcji potraw substancjami żelującymi są: żelatyna, pektyna i agar. Wraz z rozwojem technologii żywności pojawiło się na rynku szereg nowych substancji żelujących, które samodzielnie lub w różnych połączeniach mogą wykazywać zbliżone do żelatyny właściwości żelujące.
Właściwości funkcjonalne żelatyny i jej znaczenie w produkcji wyrobów spożywczych
Żelatyna jest białkiem zwierzęcym, otrzymywanym z produktów ubocznych uboju zwierząt rzeźnych, pochodzących wyłącznie od zwierząt, których mięso na podstawie badań weterynaryjnych jest dopuszczone do konsumpcji przez ludzi. Żelatyna jest białkiem, które nie występuje w przyrodzie, lecz jest otrzymywana metodami chemiczno-termicznymi z „włókniście” zbudowanego kolagenu, białka o rozbudowanej strukturze (1).
Surowcami bogatymi w kolagen niezbędnymi do wytworzenia żelatyny są skóry zwierząt rzeźnych (trzody chlewnej i bydlęce), kości oraz ryby. Zawartość kolagenu w skórze bydła, świń i ryb jest podobna i wynosi odpowiednio ok. 17-21%, 20% i 14-25%. W ścięgnach Achillesa zawartość kolagenu wynosi ok. 30%, natomiast w kościach świń – 14,5%, a bydła – 12%. Udział kolagenu w białku ogółem tych surowców waha się od 50 do 80%, tj. wielokrotnie więcej niż w tkance mięśniowej. Dla przykładu, w mięśniach szkieletowych świń i dorosłego bydła kolagen stanowi 1-10% białka ogółem, a w mięsie różnych gatunków ryb od 0,2 do 2,2%, co stanowi 1-12% białka ogółem (2).
W zależności od rodzaju zastosowanego surowca i sposobu produkcji żelatyny, wyróżnia się żelatynę spożywczą, farmaceutyczną i fotograficzną. Żelatyna spożywcza (jadalna) wytwarzana jest głównie metodą kwaśną, podczas gdy do celów farmaceutycznych metodą znacznie droższą, tj. alkaliczną (3).
Znamienną cechą żelatyny jest tworzenie żelu już przy 1% stężeniu w schłodzonym roztworze wodnym, roztwory 3-5% tworzą po schłodzeniu do temp. <37°C przezroczyste i dość twarde galarety, rozpływające się w temp. 40°C, zgodnie z formułą (16):
ŻEL ---> ZOL przy temp.> 40°C
ZOL ---> ŻEL przy temp. <37°C
Żelowanie żelatyny zachodzi w wyniku wiązania pojedynczych łańcuchów polipeptydowych za pomocą wiązań wodorowych, z udziałem lub bez udziału wody (wodór z wiązań peptydowych, grup hydroksylowych, tiolowych). Moc żelu wzrasta wykładniczo wraz ze zwiększeniem stężenia roztworu oraz ze spadkiem temperatury. Żelatyna w zimnej wodzie pęcznieje, a po podgrzaniu do temp.> 40°C rozpuszcza się. Do wytworzenia galarety żelatyna nie wymaga obecności cukru, natomiast dodatek alkoholu lub gliceryny ma korzystny wpływ na proces żelowania.
W przemyśle spożywczym żelatyna znajduje zastosowanie jako składnik zagęszczający, a przede wszystkim żelujący w produkcji galaret mięsnych, rybnych, wyrobów garmażeryjnych, konserw mięsnych (w ilościach 1-10%). W przemyśle tym jest także istotnym składnikiem wiążącym poszczególne składniki recepturowe, a także wiążącym wodę, zapobiegając w ten sposób nadmiernym wyciekom soków z wędlin. Żelatynę stosuje się także do produkcji powłok ochronnych dla wędlin tzw. bezosłonkowych, chroniąc je przed wysychaniem i utlenianiem. Właściwości zagęszczające żelatyny wykorzystywane są w produkcji koncentratów spożywczych, wyrobów cukierniczych (galaretki, desery), używana jest także jako stabilizator tekstury (np. bita śmietana, kremy, lody, ciasto, pieczywo cukiernicze – poprawa właściwości płynnych ciast), substancja pianotwórcza (np. w puszystych masach).
Stosowanie żelatyny poprawia także znacznie zachowanie odpowiedniej struktury w procesie zamrażania/rozmrażania: tortów, wypełnień, dekoracji i ozdób tortowych. Żelatyna zastosowana w przemyśle mleczarskim zapobiega występowaniu synerezy oraz osadzaniu się składników stałych, np. cząstek owoców w jogurtach. Pełni rolę substancji stabilizującej teksturę w produktach o obniżonej zawartości tłuszczu (6, 7).
W przemyśle napojów żelatyna znajduje zastosowanie przede wszystkim jako środek klarujący. Dzięki neutralnemu smakowi może być stosowana (szczególnie w postaci hydrolizatów) jako składnik wzbogacający produkty dietetyczne w białko oraz jako nośnik składników odżywczych, co często jest niemożliwe przy stosowaniu hydrolizatów białkowych o innym pochodzeniu (6).
W przemyśle farmaceutycznym żelatyna jest składnikiem kapsułek miękkich i twardych oraz wielu sproszkowanych leków. Stosowanie żelatyny ułatwia dozowanie farmaceutyków, a otoczenie „płaszczem” żelatynowym witamin wrażliwych na światło i tlen zwiększa ich trwałość. Ponadto wykorzystywana jest do wyrobu płynów krwiozastępczych, w których zapobiega koagulacji czerwonych krwinek (1).
Właściwości funkcjonalne hydrokoloidów polisacharydowych jako zamienników żelatyny
Z uwagi na obecnie trudną sytuacją rynkową w wyniku ograniczeń w imporcie i stosowaniu żelatyny wołowej związanych z obawą przed chorobą Creutzfeldta-Jakoba (CJD), dąży się do poszukiwania innych substancji, które mogłyby być zastosowane jako jej alternatywa, o takich samych lub zbliżonych właściwościach funkcjonalnych, jakie posiada żelatyna.
Do tego typu substancji zaliczyć można niektóre hydrokoloidy, które stanowią wielkocząsteczkowe spolimeryzowane substancje, rozpuszczające się lub dyspergujące w zimnej bądź gorącej wodzie, dając roztwory lepkie lub układy dyspersyjne. Z uwagi na pochodzenie (roślinne lub zwierzęce) oraz dzięki swoim właściwościom mogą być zaliczane do grupy substancji dodatkowych, kształtujących strukturę produktów żywnościowych poprzez zagęszczanie, stabilizację, emulgowanie, żelowanie itp. (8, 9, 10).
Jako zamienniki żelatyny, na szczególną uwagę zasługują hydrokoloidy polisacharydowe, stanowiące pod względem chemicznym polimerowe łańcuchy zbudowane z cukrowców prostych lub ich pochodnych o charakterze estrów, eterów czy kwasów i ich soli. Właściwości funkcjonalne hydrokoloidów są określane przez specyficzne cechy fizykochemiczne, takie jak: rozpuszczalność, zdolność zagęszczania, żelowania oraz działanie powierzchniowo-czynne, od którego zależy stabilizacja emulsji i pian oraz tworzenie filmów i powlekanie (mikrokapsułkowanie) (11).
Złożona budowa przestrzenna cząsteczek hydrokoloidów, występowanie obszarów hydrofilowych i hydrofobowych, polarnych i niepolarnych, o zróżnicowanym ładunku elektrycznym oraz duża różnorodność bocznych grup funkcyjnych, powodują bogactwo oddziaływań pomiędzy cząsteczkami tych substancji a wodą oraz składnikami żywności, a tym samym pozwalają uzyskiwać efekty technologiczne, zbliżone do uzyskiwanych przy wykorzystaniu żelatyny. Pod wpływem działania poli-sacharydów jako funkcjonalnych substancji dodatkowych możliwe jest otrzymywanie zróżnicowanej konsystencji potraw od typowej dla ciała ciekłego o lepkości niskiej czy wysokiej aż do wytworzenia żeli – które mają charakter ciała stałego (12, 13).
Rozpuszczalne i nierozpuszczalne w wodzie hydrokoloidy polisacharydowe mogą absorbować duże ilości wody, co warunkuje ich zdolność wiązania wody. Im większa jest masa cząsteczkowa hydrokoloidu oraz ilość dodatkowych grup funkcyjnych i łańcuchów bocznych, tym większa jest możliwość wiązania wody przez rozbudowane cząsteczki tego hydrokoloidu, a to z kolei powoduje większą lepkość roztworu wodnego (12).
Przy odpowiednim stężeniu, niektóre polisacharydy w warunkach obróbki kulinarnej (ogrzewanie – chłodzenie), tworzą szczególnie dużo silnych i zróżnicowanych oddziaływań chemicznych oraz fizycznych z wodą i składnikami żywności, co prowadzi do powstawania żelu. Zdolność żelowania mają: agar, skrobia, pektyny, jota- oraz kappa-karageniany, alginiany i guma gellan. Wiązania wodorowe umożliwiają przyłączenie licznych cząsteczek wody do cząsteczki polimeru, budowanie struktury cząsteczki w postaci podwójnej spirali oraz łączenie się (agregację) cząsteczek polimerów. Dzięki nim powstają żele z agaru i pektyn wysokometylowanych.
W przypadku innych polisacharydów poza wiązaniami wodorowymi niezwykle istotna jest obecność jonów jedno- i dwuwartościowych, np. potasu i wapnia (4, 5). Jony wapnia w przypadku alginianów i pektyn niskomelylowanych wywołują żelowanie, gdyż na krótkich odcinkach łańcuchów polimeru, zwanych strefami połączeń, wiążą niezależne cząsteczki polimeru. W przypadku karagenianów kappa- i jota- oraz gumy gellan jony wapniowe i potasowe wzmacniają formowanie podwójnej spirali, a później wywołują silną agregację powstałych par cząsteczek polisacharydu. Mimo dobrych właściwości zagęszczających takie polisacharydy, jak: ksantan, lambda-karagenian, guma guar, guma carob i karboksymetyloceluloza nie żelują, ale w połączeniu z małymi dawkami polisacharydów żelujących mogą także utworzyć żele. W procesie powstawania żeli, sieć przestrzenna powiązanych ze sobą cząsteczek daje w efekcie nową lepko-sprężystą strukturę o charakterze ciała stałego. Niektóre polisacharydy wykazują właściwości powierzchniowo-czynne, gdyż dzięki złożonej budowie cząsteczkowej zawierają hydrofobowe i hydrofilowe obszary w cząsteczce. Do nich można zaliczyć: gumę arabską, tragakantę i gumę karaya, w których to cząsteczkach polisacharydowy polimer ma charakter hydrofobowy, a powiązane z nimi białko hydrofilowy (12).
Efekt stabilizujący hydrokoloidów, sprzyjający utrzymywaniu zawiesin cząstek stałych w roztworze (soki owocowe lub napoje naturalnie mętne), wynika z tego, że niektóre z substancji dodatkowych mają cząsteczki o określonym jednoimiennym ładunku elektrycznym, co dzięki odpychaniu elektrostatycznemu przy jednoczesnej zdolności do zagęszczania, utrudnia opadanie (sedymentację) cząstek stałych zawiesiny. Szczególnie cenne w praktyce technologicznej są wielofunkcyjne substancje dodatkowe wykorzystywane do wytwarzania potraw lub wyrobów o złożonej, wielofazowej i niestabilnej strukturze. Przykładami takich uniwersalnych dodatków funkcjonalnych są hydrokoloidy polisacharydowe (ksantan, tragakanta, alginiany) oraz preparaty białek mleka lub soi.
Zastosowanie hydrokoloidów pomaga kształtować cechy sensoryczne różnych produktów, również tych, które projektowane są z myślą o specyficznych potrzebach zdrowotno-żywieniowych dla konsumentów zagrożonych chorobami dietozależnymi (12, 5, 14). W tabeli 1 przedstawiono różne hydrokoloidy i ich najważniejsze funkcje, jakie mogą pełnić w produktach żywnościowych.
Tabela 1. Podział hydrokoloidów i ich najważniejsze funkcje technologiczne.33
| Pochodzenie | Rodzaj hydrokoloidu | Główne funkcje teksturotwórcze |
| Zwierzęce (białkowe) | żelatyna | żelowanie |
| koncentraty i izolaty białek mleka | zagęszczanie, stabilizowanie |
| Pochodzenia mikrobiologicznego | guma ksantanowa | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie |
| guma gellan | żelowanie |
| Ekstrakty z wodorostów | aragen | żelowanie, stabilizowanie |
| agar | żelowanie |
| alginiany | żelowanie, zagęszczanie, stabilizowanie |
| Roślinne polisacharydowe | guma guar | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie |
| guma arabska (akacjowa) | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie, emulgowanie |
| guma karaya | stabilizowanie |
| guma tara | stabilizowanie |
| tragakanta | zagęszczanie, żelowanie |
| guma Konjak | żelowanie, zagęszczanie |
| pektyny wysoko- i niskometylowne | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie |
| celuloza mikrokrystaliczna (MCC) | zagęszczanie, stabilizowanie |
| karboksymetyloceluloza (CMC) | zagęszczanie, stabilizowanie |
| hydroksypropyloceluloza | zagęszczanie, stabilizowanie |
| skrobie modyfikowane | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie |
| hydroksypropylometyloceluloza | zagęszczanie, żelowanie |
| Roślinne białkowe | białka sojowe | zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie |
Wybór odpowiedniej substancji spełniającej założone cele technologiczne w produkcie spożywczym, zależy od ich właściwości fizykochemicznych, jakie wykazują one w różnym środowisku. W tabeli 2 (str. 34) zestawiono najważniejsze cechy funkcjonalne niektórych hydrokoloidów w porównaniu do właściwości, jakie wykazuje żelatyna, natomiast w tabeli 3 (str. 35) przedstawiono charakterystykę żeli otrzymanych po zastosowaniu różnych hydrokoloidów.
Tabela 2. Charakterystyka wybranych właściwości hydrokoloidów stosowanych w produkcji żywności (13).34
| Nazwa hydrokoloidu | Nr wg systemu
oznaczeń UE | Wymagane pH | Najczęściej stosowany
poziom dodatku (%) | Rozpuszczalność |
| Żelatyna | - | 4-10 | 1-10,0 | w zimnej pęcznieje, rozpuszcza się dobrze na gorąco w temp. > 40°C |
| Preparaty białek soi lub białek mleka | - | 7 | 1-20,0 | rozpuszczalność uzależniona od rodzaju preparatu |
Alginiany: sodu
Alginiany: potasu
Alginiany: wapnia | E-401
E-402
E-404 | 2,8-10 | 0,05-2,0 | słabo w zimnej, lepiej w gorącej |
| Agar | E-406 | 2,5-10 | 0,1-2,0 | dobra w wodzie gorącej, nierozpuszczalny w zimnej |
Karagen : kappa
Alginiany: jota
Alginiany: lambda | E-407 | 4-10 | 0,025-2,0
koncentraty do 6,0 | lambda i jota - dobra na zimno, kappa - na gorąco (> 70°C) |
| Mączka chleba świętojańskiego (carob - guma locust) | E-410 | 4,4-10 | 0,05-3,0 | słabo w zimnej wodzie, lepiej w gorącej, szybko wchłania wodę tworząc zbrylenia |
| Guma guar | E-412 | 3-10,5 | 0,05-1,0 | trudno rozpuszczalna, szybko wchłania wodę tworząc zbrylenia |
| Guma arabska | E-414 | 2-10 | 0,04-0,1 | rozpuszczalna w zimnej i ciepłej wodzie |
| Guma ksantanowa | E-415 | 1-13 | 0,025-0,3 | rozpuszczalna w zimnej i ciepłej wodzie |
| Celuloza mikrokrystaliczna (MCC) | E-460 | 3,5-8 | 0,5-5,0 | nierozpuszczalna w wodzie, dysperguje, daje stabilne zawiesiny |
| Karboksymetyloceluloza (CMC) | E-466 | 3-10 | 0,1-0,8 | dobrze rozpuszczalna zarówno w zimnej jak i gorącej wodzie |
| Guma gellan | E-418 | brak danych | 0,05-0,1 | rozpuszczalna w gorącej wodzie, w zimnej dysperguje |
| Pektyna wysokometylowana | E-440 | 2,5-4 | 0,3-2,0 | rozpuszczalna w ciepłej, gorzej w zimnej wodzie |
| Pektyna niskometylowana | - | 2,5-5,5 | 1,5-3,0 | dobrze w gorącej wodzie, w zimnej pęcznieją |
| Skrobie modyfikowane | E-1420; E-1422; E-1404; E-1410; E-1412; E-1450 | brak danych | 0,5-5,0 | zróżnicowana w zależności od sposobu modyfikacji, rozpuszczalne lub pęczniejące w zimnej wodzie |
Tabela 3. Hydrokoloidowe systemy żelujące (13).35
| Nazwa hydrokoloidów | Mechanizm tworzenia żelu | Właściwości strukturotwórcze |
| cieplny | chemiczny |
| Żelatyna | + | | tworzy żele odwracalne termicznie |
| Agar | + | | tworzy bardzo mocne żele, odwracalne termicznie o kruchej konsystencji |
| Alginian sodu | | + | tworzy żele w obecności jonów wapnia, nieodwracalne termicznie, tworzy roztwory o dużej lepkości, stabilizuje piany i emulsje |
| Karagen | | + | reaguje z białkami i jonami wapnia mleka, synergizm z gumą guar, żeluje w obecności jonów Ca2+ (jota) lub K+ (kappa), tworzy żele termicznie odwracalne |
| Guma gellan | | + | tworzy żele przy niskich stężeniach (0,05%), do wytworzenia żelu wystarczy obecność kationów występujących w wodzie lub sokach |
| Pektyna wysokometylowana | + | | tworzy żele nieodwracalne termicznie przy dużych stężeniach cukru i niskim pH (np. 65% cukru, pH = 3,2) |
| Pektyna niskometylowana | | + | tworzy żele w obecności jonów wapnia przy pH=2,5-6,5 przy niskiej zawartości cukru |
| Pektyna amidowana | | + | tworzy żele w obecności jonów Ca2+ przy niskiej zawartości cukru < 15% |
| Skrobie modyfikowane żelujące | + | | tworzą żele po uprzednim skleikowaniu skrobi i ochłodzeniu |
| Albumina jaja, białka serwatkowe | + | | tworzą żele po zdenaturowaniu (po ogrzaniu, pod wpływem kwasów i zasad) |
| Guma ksantanowa | sama nie tworzy żelu, żeluje w obecności mączki chleba świętojańskiego dając elastyczne, termoodwracalne żele typu cieplnego |
Charakterystyka wybranych hydrokoloidów polisacharydowych o właściwościach żelujących
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. Babel W.: Od kolagenu do żelatyny. (W:) Żelatyna. Właściwości, technologia, użytkowanie. Polska Izba Dodatków do Żywności. Konin 1999, 27-33.– 2. Sadowska M., Kotłowski R.: Fizykochemiczne właściwości kolagenu ryb, świń i bydła. (W:) Żelatyna. Właściwości, technologia, użytkowanie. Polska Izba Dodatków do Żywności. Konin 1999, 13.– 3. Seybold U.: Otrzymywanie żelatyny. (W:) Żelatyna. Właściwości, technologia, użytkowanie. Polska Izba Dodatków do Żywności. Konin 1999, 35-41.– 4. Świderski i wsp.: Technologia przemysłowej produkcji potraw. Teoria i ćwiczenia. WNT Warszawa, 1989.– 5. Świderski F.: Wykorzystanie właściwości zagęszczających skrobi i innych zagęstników w produkcji potraw. (W:) Podstawy technologii gastronomicznej. Zalewski S. (red). WNT Warszawa 1997, 319-330.– 6. Dick E.: Żelatyna w produkcji żywności. (W:) Żelatyna. Właściwości, technologia, użytkowanie. Polska Izba Dodatków do Żywności. Konin 1999, 59-67.– 7. Gwiazda S., Rutkowski A.: Rozwój metod badania właściwości fizykochemicznych preparatów białkowych. Przem. Spoż. 1978, 32, 8.– 8. Adrian J.: Gums and hydrocolloids in nutrition.World Rev. Nutr. Diet., 1976, 25, 189.– 9. Read N.W.: Gums. Dietary importance. Encyklopedia of Food Science, Food Technology and Nutrition. V.4. Academic Press. London, 1993.– 10. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 27 grudnia 2000 r. w sprawie wykazu dopuszczalnych ilości substancji dodatkowych i innych substancji obcych dodawanych do środków spożywczych lub używek, a także zanieczyszczeń, które mogą znajdować się w środkach spożywczych lub używkach. Dz.U. RP Nr 9 z 5 lutego 2001 r. – 11. Maga I.A., Tu A.T.: Food Additive Toxicology. Ed. Marcel Dekker Inc. New York, Basel, Hong Kong. 1995.– 12. Janicki A.: Wykorzystanie strukturotwórczych dodatków w technologii gastronomicznej. (W:) Podstawy technologii gastronomicznej. Zalewski S. (red.) WNT Warszawa 1997, 337-352.– 13. Świderski F., Waszkiewicz-Robak B.: Hydrokoloidy jako substancje kształtujące strukturę. (W:) Żywność wygodna i żywność funkcjonalna. Świderski F. (red.) WNT Warszawa 1999, 45-66.– 14. Tsai A.C., Vinik A.K., Lasichak A., Lo G.S.: Effect of soy polysaccharide on postprandial plasma glucose, insulin, glucagon, pancreatic polypeptide, somatostatin and triglyceride in obese diabetic patients. Am. J. Clin. Nutr. 1987, 45, 596.– 15. Branen A.L. et al.: Food Additives. Marcel Dekker. Inc. New York, Basel 1990.– 16. Chemistry and Technology. T. II. Industrial Aspects. Academic Press, New York 1967.– 17. Krotkiewski M.: Jak schudnąć. Wszystko o odchudzaniu. Drukarnia ADD Blizne Łaszczyńskiego, Warszawa 1994.– 18. Khan R.: Low-Calorie Foods and Food Ingredients. London, Blckie Academic & Professional, Glasgow, New York, Tokyo, Melbourne, Madras, 1993.
