Chcesz wydać pracę habilitacyjną, doktorską czy monografię? Zrób to w Wydawnictwie Borgis – jednym z najbardziej uznanych w Polsce wydawców książek i czasopism medycznych. W ramach współpracy otrzymasz pełne wsparcie w przygotowaniu książki – przede wszystkim korektę, skład, projekt graficzny okładki oraz profesjonalny druk. Wydawnictwo zapewnia szybkie terminy publikacji oraz doskonałą atmosferę współpracy z wysoko wykwalifikowanymi redaktorami, korektorami i specjalistami od składu. Oferuje także tłumaczenia artykułów naukowych, skanowanie materiałów potrzebnych do wydania książki oraz kompletowanie dorobku naukowego.

© Borgis - Bezpieczna Żywność 1/2001
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
PochodzenieRodzaj hydrokoloiduGłówne funkcje teksturotwórcze
Zwierzęce (białkowe) żelatynażelowanie
koncentraty i izolaty białek mlekazagęszczanie, stabilizowanie
Pochodzenia mikrobiologicznego guma ksantanowazagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie
guma gellanżelowanie
Ekstrakty z wodorostówaragenżelowanie, stabilizowanie
agarżelowanie
alginianyżelowanie, zagęszczanie, stabilizowanie
Roślinne polisacharydowe guma guarzagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie
guma arabska (akacjowa)zagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie, emulgowanie
guma karayastabilizowanie
guma tarastabilizowanie
tragakantazagęszczanie, żelowanie
guma Konjakżelowanie, zagęszczanie
pektyny wysoko- i niskometylownezagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie
celuloza mikrokrystaliczna (MCC)zagęszczanie, stabilizowanie
karboksymetyloceluloza (CMC)zagęszczanie, stabilizowanie
hydroksypropylocelulozazagęszczanie, stabilizowanie
skrobie modyfikowanezagęszczanie, żelowanie, stabilizowanie
hydroksypropylometylocelulozazagęszczanie, żelowanie
Roślinne białkowebiałka sojowezagęszczanie, 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 hydrokoloiduNr wg systemu
oznaczeń UE
Wymagane pHNajczęściej stosowany
poziom dodatku (%)
Rozpuszczalność
Żelatyna-4-101-10,0w zimnej pęcznieje, rozpuszcza się dobrze na gorąco w temp. > 40°C
Preparaty białek soi lub białek mleka-71-20,0rozpuszczalność uzależniona od rodzaju preparatu
Alginiany: sodu
Alginiany: potasu
Alginiany: wapnia
E-401
E-402

E-404
2,8-100,05-2,0słabo w zimnej, lepiej w gorącej
AgarE-4062,5-100,1-2,0dobra w wodzie gorącej, nierozpuszczalny w zimnej
Karagen : kappa 
Alginiany: jota
Alginiany: lambda
E-4074-100,025-2,0
koncentraty do 6,0
lambda i jota - dobra na zimno, kappa - na gorąco (> 70°C)
Mączka chleba świętojańskiego (carob - guma locust)E-4104,4-100,05-3,0słabo w zimnej wodzie, lepiej w gorącej, szybko wchłania wodę tworząc zbrylenia
Guma guarE-4123-10,50,05-1,0trudno rozpuszczalna, szybko wchłania wodę tworząc zbrylenia
Guma arabskaE-4142-100,04-0,1rozpuszczalna w zimnej i ciepłej wodzie
Guma ksantanowaE-4151-130,025-0,3rozpuszczalna w zimnej i ciepłej wodzie
Celuloza mikrokrystaliczna (MCC)E-4603,5-80,5-5,0nierozpuszczalna w wodzie, dysperguje, daje stabilne zawiesiny
Karboksymetyloceluloza (CMC)E-4663-100,1-0,8dobrze rozpuszczalna zarówno w zimnej jak i gorącej wodzie
Guma gellanE-418brak danych0,05-0,1rozpuszczalna w gorącej wodzie, w zimnej dysperguje
Pektyna wysokometylowanaE-4402,5-40,3-2,0rozpuszczalna w ciepłej, gorzej w zimnej wodzie
Pektyna niskometylowana-2,5-5,51,5-3,0dobrze w gorącej wodzie, w zimnej pęcznieją
Skrobie modyfikowaneE-1420; E-1422; E-1404; E-1410; E-1412; E-1450brak danych0,5-5,0zróżnicowana 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
cieplnychemiczny
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 ksantanowasama nie tworzy żelu, żeluje w obecności mączki chleba świętojańskiego dając elastyczne, termoodwracalne żele typu cieplnego 
Charakterystyka wybranych hydrokoloidów polisacharydowych o właściwościach żelujących
Guma guar – rozpuszcza się zarówno w zimnej, jak i ciepłej wodzie, tworząc bardzo lepkie roztwory. Trudnością przy rozpuszczaniu jest tworzenie się zbryleń, gdyż bardzo szybko wchłania wodę. Guar nie tworzy samodzielnie żelu, natomiast zwiększa siłę żelowania i modyfikuje właściwości żelu polisacharydów żelujących agaru i kappa-karagenu. Zole guarowe są stabilne w zakresie pH 3-10,5. Guar wchodzi w reakcję z ksantanem zwiększając znacznie lepkość układu, stabilizuje ciekłe układy niejednorodne, jak emulsje i zawiesiny. Zapobiega synerezie, opóźnia krystalizację. Znajduje zastosowanie przede wszystkim jako stabilizator lodów, sosów, majonezów, nadzień, serów topionych i żywności mrożonej, poprawia teksturę produktów piekarniczych, służy jako substancja wiążąca w wędlinach oraz dodatek do napojów owocowych i dietetycznych. Dodaje się go do żywności w ilości 0,05-1,0% (15).
Mączka chleba świętojańskiego (carob, locust bean gum) – rozpuszcza się w wodzie o temp. powyżej 80°C, tworząc roztwory o dużej lepkości, stabilne w szerokim zakresie pH (4,4-10). Carob nie ma właściwości żelujących, może jednak podobnie jak guar modyfikować strukturę i elastyczność żelu wytwarzanego przez inne substancje (zwłaszcza agar i karagen). Z ksantanem tworzy mocny żel termicznie odwracalny, z kappa-karagenem żel zbliżony do żelatynowego, a z agarem żel o zwiększonej elastyczności. Dzięki dużej zdolności wiązania wody guma ta zapobiega synerezie, np. jogurtów i serów termizowanych. Używana jest do wyrobu majonezu i sosów sałatkowych, owocowych nadzień do ciast, deserów owocowych oraz powszechnie do produkcji lodów i żywności mrożonej. Stosowana jest ponadto w przemyśle piekarskim (zwiększa elastyczność i świeżość miękiszu), cukierniczym, koncentratów, mięsnym i rybnym (13).
Agar – nie rozpuszcza się w zimnej wodzie, natomiast jest dobrze rozpuszczalny w wodzie o temp. powyżej 90°C (najlepiej przy pH 8-9). Po ostudzeniu do temp. 36-40°C tworzy zwarte, kruche, klarowne i odwracalne termicznie żele. Temperatura topnienia żelu agarowego wynosi ponad 85°C. Twardość żelu jest wprost proporcjonalna do stężenia agaru stosowanego w ilości 0,5-2%. Dodatek cukru zwiększa odporność agaru na hydrolizę i zwiększa twardość żelu agarowego, natomiast agar w połączeniu z gumą carob tworzy żel bardziej elastyczny i wytrzymały. Wyroby z dodatkiem agaru wykazują konsystencję kruchą, twardszą niż z dodatkiem pektyny, a jednocześnie mniej elastyczną niż z dodatkiem żelatyny. Właściwości żelujące i stabilizujące agaru spowodowały jego powszechne zastosowanie, zwłaszcza w przemyśle cukierniczym i piekarniczym (galaretki, „ptasie mleczko”, nadzienia do ciast), mleczarskim (twarogi termizowane, fermentowane napoje mleczne, śmietanki UHT, lody), mięsnym (konserwy sterylizowane), owocowo-warzywnym (dżemy, marmolady, żywność dla dzieci) i wielu innych. Ilość dodawanego agaru do żywności wynosi 0,1-2% (13).
Alginiany – w postaci soli kwasu alginowego: sodowej, potasowej, magnezowej czy wapniowej są rozpuszczalne słabiej w wodzie zimnej i lepiej w gorącej. Obecność i ilość soli kompleksujących wapń (np. cytrynianów) zwiększa lepkość i szybkość tworzenia się żelu, co wykorzystywane jest w produkcji deserów mlecznych, serków typu „cottage”. Wraz z obniżaniem pH środowiska zmniejsza się zapotrzebowanie na jony wapnia, a przy pH <3 alginiany żelują bez dodatku jonów wapnia (15, 13). Dobra zdolność wiązania wody stanowi jedną z podstawowych właściwości alginianów, wykorzystywaną do zagęszczania sosów, zimnych napojów mlecznych i innych produktów. Alginiany znajdują również zastosowanie do produkcji lodów w celu zwiększenia ich lepkości, puszystości oraz tekstury. Pełnią one także funkcje zawieszające w napojach owocowych, stabilizatora piany w piwie, stabilizatora w majonezach i sosach sałatkowych oraz czynnika tworzącego film powlekający przy wyrobie artykułów wędliniarskich i rybnych. W przemyśle koncentratów spożywczych znajdują zastosowanie do wyrobu budyniów, galaretek, kremów ciastkarskich (13).
Karageniany – mechanizm żelowania karagenianów, jest podobnie jak alginianów – dwustopniowy i zależny od obecności jonów jedno- i dwuwartościowych. Żele wodne karagenu są termicznie odwracalne. Galaretki karagenowe żelują w temp. 30°C, a rozpływają się w temp. 45°C. Ich trwałość zależy od pH środowiska, temperatury i czasu obróbki cieplnej. W podwyższonej temperaturze i kwaśnym środowisku (pH poniżej 3,5) karagen ulega hydrolizie. Kappa-karagen żeluje w obecności jonów potasu, podczas gdy jota – jonów wapnia. Zdolność do upłynniania się żeli przy ogrzewaniu do 80°C i ponownego formowania przy chłodzeniu poniżej 40°C wykazują karageniany jota i kappa. Zdolność żelowania na ciepło wykorzystuje się do tworzenia glazury na ciastach, deserów bezcukrowych o charakterze galaretek, sorbetów, galaretek z owocami, imitacji majonezu, koreczków rybnych lub drobiowych. Jako substancje zagęszczające, karageniany wykorzystywane są w produkcji napojów owocowych (12, 13).
Guma arabska – dobrze rozpuszczalna zarówno w wodzie (również zimnej), jak i roztworach soli, cukru oraz w mleku. Zol gumy arabskiej charakteryzuje się małą lepkością, zależną od pH, przy czym najbardziej lepkie roztwory powstają przy pH 6-8. Guma arabska znajduje zastosowanie jako substancja zagęszczająca, zapobiegająca krystalizacji cukru w produktach cukierniczych, a także do produkcji koncentratów, gum do żucia, cukierków typu „żelki”, do dekoracji lodów, ciast, deserów cukierniczych, itp. Guma arabska jest ponadto przydatna w procesach emulgowania sosów, majonezów, lodów i produktów mlecznych (0,04-0,1%). Jest substancją tworzącą szczelny film wokół cząsteczek substancji suszonych rozpyłowo i z tego powodu stosowana jako nośnik w procesie mikrokapsułkowania (13).
Guma karaya – w wodzie tworzy zol koloidalny. Największą lepkość wykazuje przy pH 8,5. Główną funkcją gumy karaya jest poprawianie stabilności produktów przez wiązanie zawartej w nich wody. Dodanie jej w ilości 0,2-0,4% zapobiega uwalnianiu wolnej wody oraz formowaniu dużych kryształów lodu w produktach mrożonych (lody). Dodanie jej do 0,8% poprawia smarowność serów topionych i zapobiega wydzielaniu wody. W połączeniu z karagenem lub alginianem (w ilości 0,02-0,1%) guma karaya służy jako stabilizator śmietanki oraz zapobiega czerstwieniu pieczywa (dodatek 0,1-0,9%). Zdolność wiązania wody przez tę gumę wykorzystuje się również w produkcji farszów mięsnych (13).
Guma ksantanowa – dobrze rozpuszcza się w wodzie zimnej i ciepłej, mleku, roztworach soli i cukru, dając stabilne roztwory o dużej lepkości niezależne od zmian temperatury, odczynu środowiska (stabilne w zakresie pH 1-13). Roztwory ksantanu są odporne na zamrażanie i rozmrażanie. Ksantan z mączką chleba świętojańskiego tworzy żele o bardzo dobrych właściwościach sensorycznych, co jest wykorzystywane m.in. przy produkcji budyniów i innych deserów instant. Znajduje zastosowanie jako stabilizator sosów, napojów owocowych, nadzień owocowych, lodów i konserw mięsno-warzywnych i rybnych. W przemyśle mleczarskim jest stosowany do wyrobu jogurtów smakowych i termizowanych, śmietanki UHT, serów topionych. Używa się go do produkcji koncentratów ciast, koncentratów obiadowych oraz wyrobów dietetycznych (15, 7, 13).
Guma gellan – tworzy żele termicznie odwracalne lub nieodwracalne już przy bardzo małych stężeniach (0,05%). Do wytworzenia żelu wymaga obecności kationów (wapnia, magnezu, sodu i/lub potasu), przy czym ilości występujące w wodzie lub sokach owocowych są wystarczające do tego celu. W zależności od poziomu jonów można regulować twardość żelu oraz temperaturę jego upłynniania (65-125°C) lub żelowania (30-50°C). Tekstura żelu może być modyfikowana przez dodanie ksantanu, skrobi modyfikowanych czy innych hydrokoloidów, dzięki którym tworzą się klarowne i stabilne żele. Stosowana jest do produkcji galaretek, dżemów, nadzień owocowych do ciast, lodów, koncentratów deserów, sosów, napojów mlecznych, jogurtów, jako składnik wypełniający w wyrobach dietetycznych (10).
Karboksymetyloceluloza (CMC) – w zależności od stopnia podstawienia grupami karboksylowymi (0,2-1) otrzymuje się CMC o zróżnicowanej rozpuszczalności i lepkości. CMC charakteryzuje się dobrą rozpuszczalnością zarówno w zimnej jak i gorącej wodzie. Celuloza koloidalna (0,2 m) jest preparatem będącym mieszaniną celulozy mikrokrystalicznej i soli sodowej karboksymetylocelulozy lub gumy guar. CMC jest stosowana w wielu branżach przemysłu spożywczego, również jako zagęstnik i stabilizator, m.in. sosów, dresingów, koncentratów zup, deserów owocowych, soków mętnych, lodów, jogurtów smakowych. Stosowana jest najczęściej w połączeniu z innymi dodatkami (gumą ksantanową, mączką chleba świętojańskiego, gumą guar) (13).
Celuloza mikrokrystaliczna (MCC) – nierozpuszczalna w wodzie, lecz dobrze dyspergująca, dająca stabilne zawiesiny odporne na ogrzewanie, tworzy żele. MCC poprawia wydajność ciast i zabezpiecza je przed opadaniem w czasie stygnięcia po pieczeniu już w ilościach 1-2%. Poleca się jej stosowanie jako wypełniacz zastępujący tłuszcz w wyrobach nisko- lub beztłuszczowych (13).
Celuloza mikrokrystaliczna jest także dobrym nośnikiem barwników, aromatów, kwasów spożywczych oraz dodatkiem przeciwzbrylającym. Jest stosowana, podobnie jak CMC, do produkcji osłonek sztucznych do wędlin podobnych do osłonek produkowanych na bazie żelatyny.
Hydroksypropylometyloceluloza – stosowana jest głównie do produkcji gumy do żucia (w ilości ok. 0,5%) oraz żywności niskoenergetycznej, a także w innych produktach (13).
Pektyny – są to rozpuszczalne w wodzie estry alkoholu metylowego i kwasu poligalakturonowego. Podstawową jednostką pektyn są reszty kwasu galakturonowego, połączone w długie łańcuchy za pomocą wiązań a-1,4 glikozydowych. Pektyny o małym ciężarze cząsteczkowym nie mają praktycznie zdolności żelujących, dopiero cząsteczki o ciężarze powyżej 105 (do 3,5 × 105) są zdolne do tworzenia żelu, a szybkość żelowania preparatów pektynowych zależy od stopnia ich estryfikacji (DE – z ang. degree of estrification) i zwiększa się wraz ze wzrostem DE w zakresie 30-50, obniża się dla pektyn o DE 50-70, a następnie wzrasta dla DE> 70 (16, 17, 18, 13). Pektyny o stopniu zestryfikowania powyżej 50% są pektynami wysokometylowanymi, a o stopniu niższym niż 50% pektynami niskometylowanymi. Mechanizm tworzenia żelu przez oba typy pektyn jest zupełnie odmienny. Pektyny wysokometylowane żelują przy pH 2,7-3,5 i stężeniu cukru powyżej 55%. Optymalną zdolność żelowania pektyny wysokometylowanej uzyskuje się w następujących warunkach, gdy stężenie cukru wynosi 65%, stężenie pektyny 0,3-2,0% przy pH 3,2 w zależności od zdolności żelowania preparatu pektynowego. Pektyny tworzą żele miękkie, elastyczne, zwięzłe, nie ulegające synerezie, nieodwracalne termicznie. Temperatura i szybkość żelowania zwiększają się wraz ze wzrostem stopnia metylacji, obniżaniem pH i zwiększaniem zawartości ekstraktu (13).
Żel z udziałem pektyn niskometylowanych powstaje za pomocą wiązań metalicznych między jonami wapnia, przy braku lub znacznie niższym niż w przypadku pektyn wysokometylowanych dodatku cukru (10-20%). Cukier poprawia teksturę żelu, który staje się bardziej elastyczny. Dwuwartościowe jony wapnia łączą cząsteczki pektyn i tworzą trójwymiarową siatkę w szerokim zakresie pH (2,5-6,5). Niezbędne stężenie jonów wapnia powinno wynosić 0,01-0,l% (15, 7). Pektyny niskometylowane tworzą żele odwracalne termicznie. Temperatura żelowania jest tym wyższa im niższy stopień estryfikacji, mniejsze pH, większa zawartość ekstraktu i większa zawartość jonów Ca2+. Moc żelu wzrasta wraz ze zwiększaniem stężenia jonów Ca2+. Pektyny znalazły zastosowanie do produkcji trwałych wyrobów cukierniczych (np. owocowych nadzień cukierniczych, galaretek owocowych), przetworów owocowych i warzywnych (dżemów, półproduktów owocowych do napojów mlecznych, koncentratów, deserów), żywności dietetycznej (np. koncentratów bezglutenowych), odżywek niskoenergetycznych. Pektyny wysokometylowane stosuje się w technologii żywności w ilościach 0,3-2,0%, a niskometylowane w ilościach 1,5-3,0%. Pektyny niskometylowane są stosowane do produkcji dżemów niskocukrowych, nadzień cukierniczych owocowych, wsadów owocowych do jogurtów, serków śmietankowych, serów typu „cottage” i serów topionych. Stosowane są również do produkcji koncentratów spożywczych, odżywek bezglutenowych.
Podsumowanie
Istnieje możliwość stosowania w wielu produktach spożywczych szeregu substancji wykazujących właściwości zagęszczające lub żelujące posiadające właściwości funkcjonalne porównywalne, a niekiedy nawet korzystniejsze niż żelatyna. Należy jednak pamiętać, że uzyskanie spodziewanych efektów żelujących uwarunkowane jest spełnieniem odpowiednich warunków środowiska.
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.
Adres do korespondencji:
Dr inż. Bożena Waszkiewicz-Robak
Prof. dr hab. Franciszek Świderski
ul. Nowoursynowska 159
02-787 Warszawa
tel. 843-85-03; e-mail: zcz_kd@sggw.waw.pl

Bezpieczna Żywność 1/2001