Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Гидроколлоиды из красных морских водорослей



1. Агар

1.1 Химическое строение агарозы и агаропектина

Агар или агар-агар стал использоваться как пищевой гидроколлоид более 300 лет назад на Дальнем Востоке. В Японии агар получали из красных морских водорослей уже около 500 лет назад. Изначально промежуточная форма агара с низкой молекулярной массой и достаточно сульфатированная находится внутри растительной клетки в аппарате Гольджи. В структуре клеточной стенки она полимеризуется и десульфатируется, превращаясь в агарозу, которая придает агару способность к гелеобразованию. Остальная часть остается в форме агаропектина. Агароза имеет линейное строение, агаропектин разветвленное.

В полимерной цепи чередуются звенья галактопираноз (3,5-ангидрогалактоза и D-галактоза). Имеются еще небольшие количества агаробиозы с метиленовым мостиком. Недавно нашли еще наличие агаробиоз 11 разновидностей. Агаробиоза имеет высокий молекулярный вес 100 000 - 150 000 Dа и выше, сульфатированность 0,15 %, это гель.

У агаропектина молекулярный вес меньше около 14 000 Dа и сульфатированных групп больше 5-8 %. Количественный состав полисахаридов агара зависит от вида водорослей, сезона сбора, течения и насыщенности питательными веществами.



Рис. 1. Красные водоросли - источники агар-агара

1.2 Способы получения агара

Водоросли вида Gelidium Amansil (рис. 1.) осторожно промывали, перебирали вручную, чтобы исключить попадание посторонних предметов и других водорослей. Экстрагирование происходило в кипящей воде при определенном уровне кислотности (раньше использовали уксус и саке, теперь разбавленную серную кислоту). Горячий экстракт фильтровали через хлопчатобумажные мешки, разливали по деревянным лоткам и при охлаждении получали гель. Гель разрезали на квадратики или экструдировали, затем раскладывали на решетки из бамбука и оставляли застывать на всю ночь в открытом месте, часто на крутых обрывах, продуваемых северными ветрами. Когда гель полностью застывал, его высушивали на солнце и предохраняли от морозов. Можно было удалить воду из геля, помещенного в мешки из мелкой сетки, под прессом (это еще и способ очистки от растворимых в воде примесей).

При промышленном производстве экстракт из водорослей (сод. 1.2 % агара) в ходе процесса концентрируется. После оттаивания и отжима (обычно центрифугированием) содержание агара увеличивается в 10 раз и составляет 10-12%. В процессе отжима из агара удаляются олигомеры, органические и неорганические соли, а также белки, включающие фикоэритрины, придающие водорослям этого семейства красный цвет (рис. 2.).

Рис. 2. Источник высококачественного агара-Ahnfeltia plicata

В современном производстве агара используется первичная обработка щелочью, которая позволяет добиться лучшей экстракции полисахарида из клеточной стенки, идет щелочной гидролиз сульфатов. При экстракции агар, содержащийся в клеточной стенке, отделяется и растворяется в кипящей воде, что часто происходит под давлением. Для получения лучшего результата необходимо контролировать рН. Тщательная фильтрация, затем гелеобразование при охлаждении, очистка замораживанием-размораживанием или синерезисом (отжим воды из геля)

1.3 Физико-химические свойства и технологические функции агара

Агар состоит из агарозы и агаропектина в различных соотношениях, которые зависят от источника сырья и способов его обработки. Гелеобразование агара происходит только благодаря содержанию в нем агарозы через образование водородных связей. Агар широко применяется в пищевой промышленности.

Из агарозы получаются т.н. «физические гели», т.е. такие водные гели, структура которых образована только полимерными молекулами через водородные связи. Молекулы агрегируются в форме сетки, внутри ячеек которой содержится много воды. Вода может свободно перемещаться внутри ячеек сетки. Каждая молекула совершенно независима. Самым замечательным свойством физических гелей является их обратимость. Они плавятся при нагревании и снова превращаются в гель при охлаждении. Такие превращения можно проводить бесчисленное количество раз при условии отсутствия активных веществ., разрушающих (окисляющих) агарозу. Другим важным свойством является размер гелевой сетки, который у агарозы очень большой, могут проходить не только молекулы воды. Но и глобулярные белки, рибосомы и даже вирусы. Фракции агаропектина в агаре сужают сетку.

У агарозы очень высокий гистерезис при гелеобразовании. Гистерезис определяется как разница между температурой гелеобразования (около 38 ⁰С) и температурой плавления (около 85 ⁰С).

Биологи широко используют агар как основу питательных сред для выращивания клеток и микроорганизмов. Из-за высокого содержания слизей растение используется как смягчающее и противовоспалительное при катарах органов дыхания и кишечника. Применяется и как легкое слабительное.

1.4 Механизм гелеобразования у агара

После растворения молекул агарозы в воде начинается экзотермический процесс: молекулы являются спиралями, подверженными Броуновскому движению. Сталкиваясь они ассоциируют в двойные спирали , при охлаждении до температур близких гелеобразованию начинается процесс образования гелевой макросетки за счет водородных мостиков (рис. 3.). Имеются фотографии макросетки 2% геля агарозы, сделанные с электронного микроскопа.

Рис. 3. Схема образования гелевой макро-сетки из молекул агара

1.5 Применение агара в пищевых продуктах

Разбухающие вещества аптекарского сырья не разлагаются ни в кислой среде желудка, через которую проходят очень быстро, ни в щелочной среде кишечника, а в результате сильного разбухания увеличивают содержимое кишечника, что и вызывает его перистальтику. Таким образом, агар-агар действует как мягкое слабительное.

Агар - пищевая добавка, которая используется во всем мире, разрешена FDA, В Европе ее номер Е 406.

Агар часто используют вместе с камедью рожкового дерева, они синергичны (т.е. дополняют друг друга), камедь повышает эластичность и устраняет ломкость агара. Смесь агара и камеди снижает синерезис гелей, что приводит к меньшему выделению воды и большей эластичности в процессе обработки, транспортировки и хранения.

Агар вместе с сахаром показывают повышенное гелеобразование в продуктах, где более 60% сахара (джемах и желе).

Добавление глицерина или сорбита в водные гели агара уменьшает дегидратацию до такой степени, что можно избежать высушивания геля на открытом воздухе.

Агар не имеет вкуса и абсолютно не ощущается в продуктах с тонким изысканным вкусом.

Если процесс требует подкисления, то его следует проводить только после полного растворения агара и при пониженной температуре, чтобы минимизировать риск гидролиза. Но он все же устойчив к гидролизу. В мясных консервах, стерилизация которых проводится в автоклаве при T > 121⁰ С, агар не подвергается гидролизу и успешно сохраняет свои свойства.

Обычно агар растворяется в воде при постоянном перемешивании. При производстве сладких продуктов агар предварительно смешивают с сахаром, а затем эту смесь медленно, во избежание образования комков, добавляют в воду.

Агар включают в рецептуру:

мороженого, молочных коктейлей, шербетов, ванильного пудинга, кексов, тортов, начинки для пирогов, глазурей, меренги, печенья, конфеты (желе на агаре), десертов из фруктового желе, джемов, ферментированных молочных продуктов, плавленого сыра, мясных консервов, осветленных вин и др. (рис. 4.)

Рис. 4. Десерты на основе агара



2. Каррагинаны

2.1 Ботаническое описание

Многократно вильчато-разветвленный таллом студенисто-мясистых красных водорослей имеет в длину 10 - 15 см. В воде водоросли теряют свою окраску. Многочисленны на побережье Северной Атлантики.

Действующие вещества: слизь, белок, минеральные вещества (особенно бром и йод).

Карраген, или ирландский мох Chondrus Crispus (Рис. 5.)

Рис. 5. Красные водоросли - Rhodophyceae источник каррагинана

Народные названия: скальный мох, хрящеватая водоросль.

Действующие вещества: слизь, белок, минеральные вещества (особенно бром и йод).

2.2 Химическое строение, особенности структуры к-, й- и л-каррагинанов

Карраген -- семейство линейных сульфатных полисахаридов, получаемых из красных морских водорослей. Название получено от одного из видов таких водорослей, произрастающего около берегов Ирландии. Студенистые экстракты из водоросли Chondrus crispus использовались в качестве пищевых добавок в течение сотен лет.

Каррагинан - это природный гелеобразователь, получаемый при переработке красных морских водорослей методом экстракции с последующей очисткой от органических и других примесей - многократным осаждением, фильтрацией и промывкой в воде и спирте. В зависимости от степени очистки различают рафинированные и полурафинированные каррагинаны. агар гелеобразование каррагинан

Молекулы каррагена -- большие, очень гибкие, и могут формировать закручивающиеся структуры. Они могут образовывать различные гели при комнатной температуре. Часто используются в пищевой промышленности как стабилизирующий и загущающий агент. Гели ведут себя как псевдопластик.

Все каррагинаны -- высокомолекулярные полисахариды, составленные из повторений субъединиц галактозы и 3,6-ангидрогалактозы, как сульфированных, так и несульфированных. Субъединицы соединены чередующимися альфа 1-3 и бета 1-4 гликозидными связями.

В зависимости от степени полимеризации и этерификации препараты каррагинанов классифицируются на 3 группы:

§ Каппа: сильные, твердые гели.(одна сульфатная группа на две молекулы галактозы). Производятся из Kappaphycus cottonii,

§ Йота: мягкие гели(две сульфатные группы на две молекулы галактозы). Производятся из Eucheuma spinosum,

§ Лямбда: формируют гели в смеси с белками, а не водой; используются для утолщения молочных продуктов (три сульфатные группы на две молекулы галактозы). Наиболее частый источник -- водоросли Gigartina из Южной Европы (рис. 6.).



Рис. 6. Производство водорослей Гигартина в Чили

Наиболее важным различием, влияющим на свойства классов каррагинанов, является количество и положение cульфатных эфиров на повторяющихся субъединицах галактозы. Большее количество сульфатных эфиров понижает температуру растворения каррагинана и приводит к более мягким гелям или препятствует образованию гелей (лямбда-каррагинан).

Многие красные водоросли производят различные типы каррагинана на разных стадиях развития. Например, род Gigartina производит главным образом каппа-каррагинаны в стадии гаметофита, и лямбда-каррагинаны в стадии спорофита.

Все классы каррагинана растворимы в горячей воде, но в холодной воде растворим только класс лямбда и соли натрия других классов.

При использовании в пищевых продуктах каррагинан указывается как E 407 или E 407a (при изготовлении из водорослей Euchema).

Также часто раствор каррагинана используется в целях увеличения объема мяса для удешевления производства в расчете на массу готовой продукции.

Наиболее часто пищевую добавку E 407 используют при производстве молочных продуктов, коктейлей, мороженого, кондитерских изделий.



2.3 Получение каррагинанов

В промышленных масштабах производство началось с 30-х годов XX века, хотя в Китае использовали каррагинан в VII веке до н. э.

В настоящее время крупнейшим производителем являются Филиппины, где морские водоросли разводятся специально. В основном это виды Kappaphycus alvarezii, K.striatum и Eucheuma denticulatum. Они растут на 2 метра вглубь от поверхности моря. Водоросли обычно выращивают на нейлоновых тросах, закрепленных на бамбуковых опорах. Урожай собирают приблизительно через три месяца, когда каждое растение весит около килограмма.

После сбора водоросли сушат, упаковывают в тюки и отправляют на фабрику. Там водоросли мелют, просеивают, чтобы удалить загрязнения, например песок, и тщательно промывают. После обработки горячим щелочным раствором (например, 5-8 %-ным гидроксидом калия) водоросли центрифугируют и фильтруют, при этом удаляется целлюлоза. Получившийся каррагинановый раствор затем концентрируется выпариванием. Затем высушивается и измельчается в соответствии со спецификацией.

На Филлипинах при получении каррагинана все красители, белки и низкомолекулярные соединения вымывают из сушёных водорослей 10%-м раствором К₂С0₃ при 70-80 °С; остаток отфильтровывают, отмывают, высушивают и размалывают в порошок пищевого качества от белого до желтоватого цвета. Продукт называется "PNG-каррагинан". Примеси: катионы, добавленные для нейтрализации сульфогрупп, другие нерастворимые составляющие водорослей, особенно целлюлоза.

Каррагинан из водорослей Еuchema Е 407а.

Содержится в стенках клеток красных морских водорослей (Rhodophyceae), преимущественно вида Euchema cottonii семейства Solieraceae (рис. 7.).

Рис. 7. Производство красных водорослей в Малайзии

2.4 Метаболизм и токсичность

Являясь растворимыми балластными веществами, каррагинаны не всасываются и могут уменьшать степень и скорость всасывания других компонентов пищевых продуктов. Расщеплённые каррагинаны способствуют образованию нарывов.

The Food and Agriculture Organization of the United Nations и ВОЗ, на основании имеющихся данных, не рекомендуют использовать каррагинан-содержащие продукты в детском питании, поскольку опыты на крысах, свиньях и обезьянах показали, что использование полигинана (частично распавшаяся молекула Каррагинана) может привести к язвам и раку желудочно-кишечного тракта.

2.5 Гигиенические нормы

Допустимое суточное потребление 20 мг/кг веса тела в день. Разрешён в 20 стандартах на пищевые продукты в количестве от 150 мг/кг до 20 г/кг. В РФ разрешён в качестве стабилизатора консистенции, загустителя, текстуратора в пищевые продукты; в качестве вспомогательного средства (материалы и твёрдые носители) для иммобилизации ферментных препаратов.



2.6 Целебное действие и применение каррагинанов

Красные морские водоросли используются в качестве пищевых продуктов на Дальнем Востоке и в Европе в течение многих столетий. Различные виды водорослей содержат естественные полисахариды, заполняющие свободные пространства в целлюлозной структуре растений. Это семейство полисахаридов включает агар, каррагинан и фурцеллеран (рис.).

Рис. Красные морские водоросли Дальнего Востока

Каррагинаны различны по структурному строению и обладают широким спектром реологических свойств, могут быть вязкими загустителями и гелеобразователями, образующими термообратимые гели. Текстура гелей варьирует от мягкой и эластичной до жесткой и хрупкой.

Красные водоросли Euchema cotonii и E. Spinosum - кустарники с шипами высотой 50 см растут на рифах и в лагунах на Дальнем Востоке (Филлипины, Индонезия). Из водорослей Euchema cotonii получают каппа-каррагинан, из E. Spinosum - йота-каррагинан.

Самым известным видом красных водорослей является Chondrus crispus - кустарник высотой 10 см, растущий на побережье Северной Атлантики, содержит каппа-каррагинан и лямбда-каррагинан.

В холодных прибрежных водах Чили и Перу растут Gigartina большие водоросли 3 м высотой, а у берегов Северной Европы и Азии растут водоросли Furcellaria, содержащие каппа- и лямбда-каррагинан.

2.7 Состав каррагинанов

Комплексная смесь нескольких сильно кислых полисахаридов, линейные молекулы которых состоят из мономеров D-галактозы и 3,6 ангидро-D-галактозы с этерифицированными сульфатными остатками, которые в свою очередь связаны с натрием, калием, кальцием и т.д. В зависимости от количества и положения сульфатных эфиров различают: йота-, каппа- и лямбда-каррагинаны. При использовании очень важно соотношение этих трех типов каррагинана; количество других типов незначительно.

Каррагинан - линейный полисахарид с высокой молекулярной массой, содержащий повторяющиеся дисахаридные фрагменты из галактозы и 3,6 -ангидрогалактозы, как в сульфатированной, так и в не сульфатированной формах, которые соединены б- (1-3) и в -(1-4) гликозидными связями. Существует бесконечное количество типов каррагинанов, но есть основные лямбда-, каппа- и йота-каррагинаны, при этом лямбда- и каппа-каррагинаны образуются при внутримолекулярной перегруппировке при обработке щелочью. Отличаются по количеству ангидрогалактозы и этерифицированных сульфатных групп.

2.8 Способы получения каррагинанов

При отборе важно, чтобы водоросли были созревшими, но не перезревшими. После отбора водоросли промывают от песка и камней, затем быстро высушивают (чтобы не развились микроорганизмы). Затем транспортируют на заводы по производству каррагинанов.

Экстракция каррагина идет при щелочной обработке, при этом часть сульфатных групп нейтрализуется катионами, из двух соседних цепей полисахарида образуются спиралевидные структуры. Модифицированные щелочью каррагинаны образуют твердые хрупкие гели.

После экстракции и модификации разбавленные растворы каррагинанов фильтруют или очищают центрифугированием, затем конденсируют и осаждают изопропиловым спиртом. Полученную массу прессуют от примесей и высушивают.

Альтернативным способом получения каппа-каррагинан вытесняют из водоросли концентрированным раствором калия хлорида. Каппа-каррагинан осаждается, освобождается от воды синерезисом под давлением и образует гель. Для облегчения процесса обезвоживания осажденный каррагинан можно подвергнуть замораживанию-оттаиванию. Отпрессованные волокна высушивают и измельчают до нужного размера частиц.

2.9 Физико-химические свойства и технологические функции

Вариации в структуре влияют на гидратацию, прочность геля и текстуру, температуру плавления и гелеобразования, синерезис и синергизм.

Синерезис - отделение воды отмоканием.

Синергизм - усиление свойств при смешивании компонентов.

Для стандартизации готового продукта разные экстракты купажируют (т.е. смешивают и выстаивают).

Для пищевого применения каррагинан лучше всего описывать как «экстракт из красных морских водорослей, содержание этерифицированных сульфатных групп в котором составляет 20 % и выше и молекулы которого включают чередующиеся б-(1-3) и в -(1-4) гликозидные связи».

Способность повышать вязкость и образовывать гель у разных типов каррагинанов неодинакова. Каппа-каррагинаны образуют твердый гель с ионами калия (на йота- и лямбда-каррагинаны ион калия не действует).

Йота-каррагинаны образуют с ионами кальция мягкие эластичные гели. На лямбда-каррагинан ионы не действуют.

Все каррагинаны растворимы в горячей воде. Лямбда-каррагинан и Na-соли каппа- и йота-каррагинанов растворимы в холодной воде.

Лямбда-каррагинаны образуют вязкие растворы, которые используют в качестве загустителей, особенно в молочных продуктах с не слипающейся кремообразной текстурой.

Все каррагинаны гидратируют при высоких температурах.

Растворы каррагинанов теряют вязкость при рН ниже 4,3 из-за автогидролиза. Скорость автогидролиза повышается при низком содержании катионов и повышении температуры.

2.10 Механизмы загущения и гелеобразования

Горячие растворы каппа- и йота-каррагинанов при охлаждении до 40-60 ⁰С образуют различные по свойствам гели в зависимости от наличия катионов. Гели являются термообратимыми и обладают гистерезисом, или разницей между температурой гелеобразования и плавления. Эти гели стабильны при комнатной температуре, но могут быть повторно расплавлены при нагревании до температуры, превышающей на 5-20 ⁰С температуру гелеобразования. При охлаждении происходит повторное образование геля.

Для эффективного использования каррагинанов важен ионный состав пищевой системы. Например, каппа-каррагинану необходимы ионы калия для стабилизации стыковых зон внутри твердого ломкого геля. А йота-каррагинану необходимы ионы кальция для создания мостиков между соседними цепями для создания мягкого эластичного геля.

Все классы каррагинана растворимы в горячей воде, но в холодной воде растворим только класс лямбда и соли натрия других классов.

2.11 Применение в пищевых продуктах

Десертные гели на водной основе, а также глазури для тортов - типичные области применения каррагинанов. Используется смесь йота- и каппа-каррагинанов, по вкусу и текстуре напоминают желатин (можно использовать для вегетарианцев). Аналогичные гели используют для заливного, кормов для домашних животных и готовых мясных изделий, подлежащих нарезке ломтями.

Синергизм каппа-каррагинана и камеди рожкового дерева используется также в десертных гелях на водной основе и глазурях, готовой ветчине и продуктах из птицы, консервированном мясе и кормах для животных. Эти гели прочны и эластичны, при высоких температурах обладают высокой вязкостью. Более дешевые сорта каррагинанов идут на приготовление кормов для животных.

Разбавленный раствор йота-каррагинана используется для салатной заправки - термообратимого геля для получения вязкой суспензии зелени и овощей. Сначала каррагинан диспергируют в воде при комнатной температуре с образованием вязкого раствора, затем добавляют соль (NaCl), которая приводит к образованию обратимого геля. Пудинги на молочной основе были первым применением каррагинана, полученного из водоросли Chondrus crispus, которая собиралась в Ирландии. Водоросль кипятили в молоке, экстрагированный при этом каррагинан образовывал при охлаждении гель. Эти свойства используются во всем мире для производства продуктов быстрого приготовления: пироги, кремовые десерты и мысы. Для загущения и гелеобразования используется большое количество разных каррагинанов. Молочные коктейли (для предотвращения отделения сыворотки), шоколадное молоко, мороженое, сгущенное молоко, плавленый сыр (можно понизить содержание сыра заменой каррагинаном).

При использовании в пищевых продуктах, каррагинан указывается как E 407 или E 407a (при изготовлении из водорослей Euchema). Каррагинан обладает биологической активностью: антикоагулирующей, антивирусной, антираковой и антиязвенной, а также выводит из организма тяжелые металлы. Также часто раствор каррагинана используется в целях увеличения объема мяса для удешевления производства.

Причиной широкого применения каррагинана является его способность загущать практически любые пищевые продукты, образуя прозрачный плавящийся гель. Качество этого геля можно существенно менять с помощью других полисахаридов, в особенности камеди рожкового дерева.

Каппа-каррагинан желируется только в присутствии ионов К+. Лямбда-каррагинан самостоятельно не желируется. Йота-каррагинан в присутствии ионов Ca2+ образует прочные эластичные гели, не склонные к синерезису и устойчивые к циклам замораживания-оттаивания.

Каррагинаны проявляют эффект синергического усиления казеинового геля: одна и та же прочность геля достигается в молочной среде при концентрации каррагинана в 10 раз меньшей, чем в водной. Полуочищенный, содержащий целлюлозу каррагинан образует не совсем прозрачный раствор и гель, поэтому меньше пригоден для желе и заливок, но в молочных, жирных или крахмалосодержащих пищевых продуктах это несущественно.

Каррагинан используют для формирования консистенции овощных и фруктовых консервов, плавленых сыров, творожных изделий, мясных консервов, сливок, мороженного, соусов, кисломолочных продуктов, концентрированного молока, маргаринов. Обычная дозировка 5-10 г/кг продукта. Очень часто каррагинан сочетают с другими полисахаридами, особенно с камедью рожкового дерева. В молочных продуктах предпочтительнее использовать каппа- и йота-каррагинан, в соусах - лямбда-каррагинан. Каппа- и йота-каррагинан образуют гели с молоком при концентрации 0,02-0,2 %. Другие области применения: в производстве красок, косметики, паст, кормов.

Применение каррагинанов при производстве ломтевых и колбасных плавленых сыров поможет решить проблемы, связанные со структурными характеристиками (нарезка, самокол, прилипание к фольге и т. д.), снизить усушку сыра в процессе хранения и копчения, выработать новые виды сыров с повышенным содержанием влаги, снизить количество молочного сырья в рецептуре. Каррагинан придает сырному тесту характерный блеск и упругость.

Применение каррагинанов для пастообразных сыров (рис. 9.) позволит увеличить ассортимент вырабатываемой продукции, благодаря созданию различных структур гелей - от текучих до желеобразных, а также предотвратит синерезис в продукте (отслаивание и выделение жидкости). При взаимодействии с камедями проявляется эффект синергизма - усиление свойств обеих гидроколлоидов. Это свойство каррагинанов учитывается при составлении многокомпонентных стабилизационных смесей.

Рис. 9. Увеличение пластичности плавленых сыров



Литература

Основная литература

1. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др. Пищевая химия, Изд. 4-е, испр. и доп. - СПб: ГИОРД, 2007. - 640 с.

Дополнительная литература

1. Нечаев А.П., Кочеткова А.А., Зайцев А.Н. Пищевые добавки. - М.. Колос. Колос-пресс. 2002. - 254 с.

2. Справочник по гидроколлоидам/ Г.О. Филипс. П.А. Вильямс (ред.) Пер. с англ. Под ред А.А. Кочетковой и Л.А. Сарафановой. - СПб. ГИОРД, 2006. - 536 с.

Интернет-ресурсы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. http://inulin-liavir.narod.ru/detals.htm

3. http://www.sunhome.ru/journal/16183

4. http://jogurt.well24.lv/ru/prebiotics.html

5. http://www.prodobavki.com/dobavki/E417.html

Размещено на Allbest.ru

...