Технологические пищевые добавки

Введение

За последние десятилетия  в мире технологий и ассортимента пищевых продуктов произошли  огромные изменения. Они сказались  и на ставших классическими традиционных способах получения и на самих продуктах (хлебе, мучных кондитерских изделиях, напитках и др.). Кроме того, привели к появлению новых групп продуктов питания (функциональных продуктов, продуктов лечебного, детского питания и т.д.) с новым составом и свойствами. Изменения привели к упрощению технологий и сокращению производственных циклов, выразились в принципиально новых технологических и аппаратурных решениях.

Эти изменения связаны  с пониманием роли питания в жизни  человека, взаимосвязи качества пищи и болезней цивилизации, проявлением  новых условий и ритма жизни, а также экологических проблем, применением пищевых, биологически активных добавок и улучшителей.

Упомянутые фундаментальные  изменения в значительной степени  стали возможными благодаря использованию  большой группы пищевых добавок, получивших условное название «технологические добавки».

Ускорение технологических  процессов обеспечивают ферментные препараты, химические катализаторы, экстрагенты и другие вещества. Для регулирования и улучшения текстуры пищевых систем и готовых продуктов используют эмульгаторы, гелеобразователи, стабилизаторы, для улучшения качества сырья и готовых продуктов применяют отбеливатели муки, фиксаторы миоглобина. Для предотвращения комкования и слеживания продукта применяют полирующие средства.

Подразделение пищевых добавок  на самостоятельные группы является в достаточной степени условным. В отдельных случаях без них  невозможен технологический процесс (экстрагирующие вещества, катализаторы гидрирования жиров и т д.), т.е. они не совершенствуют его, а помогают его осуществить. Некоторые технологические добавки рассматриваются в нескольких подклассах, многие из них влияют на эффективность использования сырья и качество готовых продуктов. Необходимо помнить, что классификация пищевых добавок при определении подкласса пищевых добавок предусматривает их технологические функции, и большая часть пищевых добавок ими обладает.

Под комплексными пищевыми добавками понимают изготавливаемые  промышленным способом смеси пищевых  добавок одинакового или различного технологического назначения. В их состав могут входить кроме пищевых  и биологически активных добавок  основные виды сырья (основные макроингредиенты): мука, сахар, крахмал, белок, специи и т. д.

Следует отметить, что в  последнее время появилось большое  число комплексных пищевых добавок. Под комплексными пищевыми добавками  понимают изготовленные промышленным способом смеси пищевых добавок  одинакового или различного технологического назначения. Особенно широкое распространение  они получили в технологии хлебопечения, при производстве мучных кондитерских изделий, в мясной промышленности. Иногда в эту группу включают вспомогательные  материалы технологического характера.

Вспомогательные материалы  — это любые вещества или материалы, которые, не являясь пищевыми компонентами, используются при переработке сырья  и в производстве пищевой продукции  с целью улучшения технологии; в готовых пищевых продуктах  вспомогательные материалы отсутствуют  или могут определяться их неудаляемые остатки.

Они, как уже указывалось  ранее, не рассматриваются в качестве пищевых добавок.

1 Общие подходы к подбору и применению пищевых добавок

Эффективность применения пищевых  добавок для решения технологических  задач требует создания технологии их подбора и применения с учетом особенностей химического строения, функциональных свойств, характера  действия самих пищевых добавок, а также вида продукта, особенностей сырья, состава пищевой системы, технологии получения готового продукта, оборудования, а иногда упаковки и  условий хранения. В общем виде разработка технологии подбора и применения технологических пищевых добавок представлена на рис. 6.1.

Ниже приводится краткая  характеристика некоторых видов  пищевых добавок технологического назначения. К ним относятся:

• ускорители технологических  процессов (ферментные препараты);

• фиксаторы миоглобина;

• вещества, улучшающие качество муки и хлеба;

• растворители.

Рис.1 Разработка технологии подбора и применения новой пищевой добавки

2 Фиксаторы миоглобина

Пищевые технологические  добавки, обеспечивающие стойкий розово-красный  цвет мясным и рыбным изделиям, являются консервирующими веществами для  мяса и мясопродуктов, а также  применяются в сыроделии для  предотвращения вспучивания сыров и брынзы (табл.1).

Таблица 1. Фиксаторы миоглобина, разрешенные к применению в Российской Федерации

Нитриты при взаимодействии с ферментами мяса (миоглобином) образуют нитрозогемоглобин — вещество красного цвета. При тепловой обработке нитрозогемоглобин переходит в гемоглобин, придающий мясным продуктам стойкий красный цвет. Поэтому нитриты в списке приведенных выше добавок играют основную роль в обеспечении красного цвета колбасных изделий.

Из общего количества внесенного нитрита натрия на реакцию с миоглобином  расходуется около 30 % пищевой добавки, остальное количество взаимодействует со структурными компонентами макронутриентов: с амино- и сульфгидрильными группами белков, гидроксильными группами других компонентов, превращаясь в гидроксиламин и аммиак. По мнению отдельных авторов, при посоле мяса 5— 15 % нитритов связывается с метгемоглобином; 1—10 % переходит в нитраты; 5—20 % остается в виде нитритов; 1—5 % выделяется в виде газообразных продуктов; 1—5 % взаимодействует с липидами; 20— 30 % — с белками.

Нитраты не являются метгемоглобинообразователями, но при определенных условиях и в первую очередь в зависимости от особенностей состава пищевых продуктов и микрофлоры желудочно-кишечного тракта часть их восстанавливается до нитритов.

Несмотря на широкое распространение  нитратов в природе, как пищевые  добавки они вызывают все большую  озабоченность у физиологов. Это  связано со способностью частично восстанавливаться в более токсичные нитриты. Механизм токсического действия последних на организм состоит во взаимодействии с гемоглобином крови и образовании метгемоглобина, не способного связывать и переносить кислород. ДСД нитритов - 0,2 мг/кг массы тела человека.

В связи с токсичностью нитратов и нитритов их потребление  строго регламентировано. При использовании  нитратов и нитритов в составе  школьных смесей максимальный уровень  нитритов в таких продуктах рассчитывают с учетом нитритов, образующихся из нитратов. Снижение до минимального уровня содержания в пищевых рационах нитратов и нитритов — актуальная задача.

3 Растворители

В ходе технологических процессов (производство жиров, рыбы, чая, кофе и  др.) применяются растворители. Перечень разрешенных растворителей, пропеллентов, газовых сред, применяемых при упаковке, приведен в табл. 2.

Таблица 2. Пропелленты, разрешенные к применению в Российской Федерации (СанПиН   232560-96)

По строгому определению, пропелленты — это газы, выталкивающие продукт из контейнера. Химические свойства пропеллентов позволяют применять некоторые из них в качестве экстрагирующих агентов, поэтому они относятся к вспомогательным материалам.

4 Пеногасители

Эта группа веществ объединяет добавки, обладающие способностью предупреждать или снижать образование пен — стабилизированных дисперсий определенных типов газов в жидкой дисперсионной среде.

В ряде случаев образование  пены может вызвать серьезные  проблемы в ходе технологического процесса или отрицательно сказаться на качестве конечного продукта. В частности, пены могут снижать производительность оборудования и повышать технологическое  время и затраты. Они мешают проведению технологических процессов, связанных  с фильтрованием, центрифугированием, выпариванием, дистилляцией и т п. В подобных случаях прибегают  к их гашению. Для этих целей могут  быть использованы, в частности, нехимические методы — механические или физические (перемешивание, нагрев, охлаждение и  т. п.). Однако наиболее экономичным  и эффективным является применение химических пеногасителей.

Эффективный химический пеногаситель должен соответствовать ряду требований:

• обладать более низким поверхностным натяжением по сравнению с системой, в которую он добавляется (быть более поверхностно-активным по сравнению с пенообразователем);

•  хорошо диспергироваться в системе;

•  обладать низкой растворимостью в системе;

•  быть инертным;

•  не оставлять значительного осадка или запаха;

•  соответствовать нормативам безопасности.

В табл. 3 приведены пищевые добавки, которые используются в качестве пеногасителей.

Таблица 3. Пищевые добавки с технологическими функциями пеногасителей, разрешенные к применению при производстве пищевых продуктов

При выборе конкретного пеногасителя должны учитываться следующие факторы:

• химическая природа пенообразующего  агента;

• тенденция пенообразования;

• растворимость и концентрация;

• присутствие электролитов, коллоидов или других поверхностно-активных веществ;

• температура, рН и вязкость системы;

• используемое технологическое  оборудование;

• конечное назначение продукта, содержащего пеногаситель.

В пищевой промышленности наиболее широко используются силиконовые  пеногасители (Е900), поскольку они в наибольшей мере соответствуют всем необходимым требованиям.

5 Ферментные препараты

Ферментные препараты  представляют собой очищенные и  концентрированные продукты, содержащие определенные ферменты (энзимы) или  комплекс ферментов, характерных для  биологических сред и организмов — продуцентов. Они являются важным элементом в технологиях пищевых  продуктов и применяются для  интенсификации технологических процессов  и повышения качества продуктов  питания.

Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить  затраты и даже получить новые  продукты. Это один из  наиболее эффективных и перспективных способов ускорения технологических процессов.

5.1 Номенклатура ферментов

Современная номенклатура ферментов  устанавливалась в течение нескольких последних лет. В научном мире используются систематические названия, разработанные Комитетом по номенклатуре и классификации энзимов Международного союза биохимиков. В соответствии с международной номенклатурой и типами катализируемых ими реакций энзимы делятся на шесть основных групп:

• оксидоредуктазы — класс ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции;

• трансферазы — ферменты, переносящие различные химические группировки;

• гидролазы — ферменты, катализирующие реакции расщепления внутримолекулярных связей, протекающие с присоединением воды в точке расщепления;

•  лиазы — ферменты, удаляющие радикалы негидролитическим путем с образованием двойных связей;

• изомеразы — класс ферментов, катализирующих взаимные превращения изомеров;

•  лигазы — ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух молекул при расщеплении пирофосфатной связи в АТФ или подобного вещества.

В этой системе номенклатур  энзим обозначается префиксом ЕС со следующим за ним рядом чисел  с пробелом после каждого числа. Первое число обозначает одну из перечисленных  выше основных групп. Остальные числа  обозначают определенные подклассы  энзимов в соответствии с природой катализируемых ими реакций.

Международным комитетом, регулирующим вопросы, связанные с номенклатурой  ферментов, рекомендована тривиальная  номенклатура, в соответствии с которой  к названиям их субстратов (веществ, на которые воздействуют ферменты) добавляют суффикс «-аз», например, липидгидролизующие ферменты называют липазами. Кроме того, иногда к названию источника ферментов добавляют суффикс «-ин». Примером такого названия служит фермент папаин, вьщеляе-мый из млечного сока папай.

Систематические названия достаточно сложные, очень длинные для использования  и написания, поэтому на практике технологи и

ученые, как правило, применяют  тривиальные названия. Кроме того, ферменты для удобства подразделяют на несколько групп в соответствии с катализируемыми ими реакциями (карбогидразы, протеазы и т. д.). Во избежание путаницы приводятся и тривиальные, и систематические названия.

При наименовании ферментных препаратов в России и ряде других стран в номенклатуре указываются  вид ферментативной активности (амилолитическая — А), продуцент и метод культивирования (поверхностный — П, глубинный — Г), степень концентрации фермента по сравнению с исходной культурой продуцента (протосубтилин Г10Х).

5.2 Факторы, влияющие на реакции ферментации

На активность ферментов, а следовательно, и на скорость реакции ферментативного катализа оказывают влияние различные факторы. К числу основных относятся:

• концентрация и доступность  субстрата;

• концентрация фермента;

• температура реакции;

• рН реакции;

• продолжительность процесса;

• наличие ингибиторов  или активаторов.

В общем случае при низких концентрациях субстратов реакции  ферментации относятся к кинетическим реакциям нулевого порядка. Участие  ферментов в пищевых технологиях  исчисляется минутами, поэтому концентрации субстратов значительно превосходят  концентрации ферментов. Скорость большинства  реакций ферментации соответствует  кинетическому уравнению первого  порядка

dP/dT = k(S-P),

где dP/dT—  скорость образования продукта, (S-P) — остаточная концентрация субстрата в данный момент.

Следовательно, скорость реакции  зависит от остаточной концентрации субстрата. Важным практическим применением  концентрации субстрата является использование  его для повышения стабильности ферментов. Ферменты значительно быстрее  денатурируют в разбавленных растворах. При высоких концентрациях субстратов каталитические центры ферментов насыщаются (заполняются) субстратом, повышая стабильность. В практическом отношении принципиальной является доступность субстратов. Наличие  высоких концентраций субстратов совершенно не гарантирует протекания реакции. Для проведения катализа субстрат должен находиться в контакте с ферментом. Типичным примером вышесказанного является гидролиз триа-цилглицерина липазами. Фермент гидрофилен, в то время как субстрат гидрофобен. Применение эмульгатора, обеспечивающего контакт фермента и субстрата, значительно увеличивает скорость гидролиза.

Концентрация ферментов  всегда относительно невелика. Для  большинства пищевых применений скорость реакций пропорциональна  концентрации ферментов Исключение составляют те случаи, когда реакции  доводят до очень низких уровней  субстрата.

Влияние температуры на ферменты двояко Для большинства химических реакций скорость реакции с повышением температуры увеличивается за счет кинетической энергии реагентов До критической температуры ферменты ведут себя аналогично, выше критической — начинается снижение скорости процесса Поэтому температура процесса ферментации крайне важна При повышенных температурах скорости реакции и денатурации ферментов одинаково велики В большинстве случаев температура оптимизируется с учетом обеих реакций Температура также используется для стабилизации ферментов относительно других факторов. Например, при снижении температуры реакции может быть увеличен диапазон рН ферментативного катализа.

Абсолютной является зависимость  активности ферментов от величины рН При этом для одних ферментов диапазон оптимальных значений рН узкий, а для других — широкий Стабильность ферментов также зависит от рН. Даже ограниченные изменения рН могут неблагоприятно сказываться на реакции, катализируемой ферментами В связи с чем обоснованным является введение ферментов в реакционную массу только после того, как достигнуто требуемое значение рН.

Важным фактором в реакциях ферментации является время Для реакции ферментативного катализа первого порядка скорость реакции со временем уменьшается, так как уменьшается доступность субстрата Такие реакции ферментативного катализа требуют достаточно много времени для ее завершения

Химические вещества, способные  оказывать вредное воздействие  на реакцию ферментации, получили название «ингибиторы» В качестве таких веществ  могут выступать металлы (медь, железо, кальций) или соединения из субстратов. Примером ингибитора, связанного с  субстратом, является трипсин —  ингибитор из сои В зависимости от вида воздействия ингибиторы подразделяют на пять групп

• конкурирующие;

• неконкурирующие,

• смешанные,

• специфические;

• неспецифические

Некоторые вещества способны, наоборот, активировать или стабилизировать  ферменты В связи с этим в составе ферментных препара-

тов могут содержаться некоторые химические вещества из числа пищевых добавок (хлорид калия, фосфат натрия, глицерин и др.), введенные для стандартизации активности и повышения стабильности. Некоторые виды ферментных препаратов выпускаются в виде иммобилизованных, нанесенных на твердый или коллоидный носитель.

5.3 Выбор ферментов для пищевых целей

При выборе ферментов для  пищевых производств необходимо учитывать:

•  источник, форму и наличие разрешения на их использование;

•  доступность качественного продукта;

• удобство в использовании (предпочтительны иммобилизованные или растворимые ферменты);

•  стоимость за единицу активности фермента.

Используемые в пищевой  промышленности ферменты имеют широкий  спектр применения, включающий функции  синтеза и разложения (деградации). При выборе фермента для конкретного  пищевого процесса следует принимать  во внимание его источник и биохимические  характеристики, что важно при  сертификации. В табл. 6.5 представлены некоторые области применения ферментов  и уровень их концентрации.

Таблица 4. Применение ферментов в пищевых технологиях

Примечание. ГОК — глюкозоксидазная единица;  СВ—сухое вещество; э/с — соотношение энзим (фермент)/субстрат.

5.4 Правовые аспекты  применения ферментов в пищевых продуктах

Подобно другим пищевым добавкам использование ферментов в пищевых продуктах нормируется законом. В различных странах требования, предъявляемые к ферментам, неодинаковы. Большинство развитых стран следует правилам Объединенного комитета экспертов по пищевым добавкам ФАО—ВОЗ, однако единого соглашения для европейских стран не существует. В Бельгии и Италии ферменты рассматривают как средства переработки. В Греции, Ирландии, Нидерландах и Великобритании не существует контроля за использованием ферментов. Однако в Великобритании источник поставки должен быть официально разрешен регулирующими агентствами. Во Франции и Германии ферменты относят к пищевым добавкам, и если они разрешены во Франции, не требуется разрешения на их использование в Германии. Существуют строгие нормативы на использование ферментов в Дании; разрешение на их использование выдается Датским национальным пищевым институтом. В Канаде энзимы рассматриваются как пищевые добавки и сертифицируются соответственно. В США ферменты могут быть использованы в пищевых продуктах, если имеют статус GRAS («общепринятые, безопасные»). Ферменты, не входящие в этот список, рассматриваются как добавки и могут быть использованы только после разрешения. В Японии коммерческие ферменты рассматривают как синтетические продукты, которые должны быть включены в список Пищевого комитета и подлежат сертификации.

В России ферменты в пищевой  промышленности применяют в соответствии с рядом общих гигиенических  правил.

Для получения ферментных препаратов пищевого назначения в качестве продуцентов используются органы и  ткани здоровых сельскохозяйственных животных, культурных растений, непатогенные и нетоксичные специальные штаммы микроорганизмов бактерий и низших грибов.

Изготовители ферментных препаратов в нормативной и технической  документации обязаны указывать  источник получения препарата и  вид организма — продуцента, давать их характеристику, включая активность (основную и дополнительную).

Ферментные препараты  микробиологического происхождения  не должны содержать жизнеспособных форм продуцентов ферментов. Препараты  бактериального происхождения не должны иметь антибиотической активности. Препараты грибного происхождения  не должны содержать микотоксинов.

Контаминация ферментных препаратов посторонней микрофлорой  не должна превышать следующих лимитов: количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов — не более 5*10⁴ КОЕ/г; не допускаются бактерии группы кишечных палочек в 0,1 г, а патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы и Е. coll, — в 25 г продукта.