zelowanie.pdf

ŻELOWANIE – Ogólna Technologia Żywności II rok WNoŻiŻ

Hydrokoloidy

Substancje zagęszczające i żelujące zaliczane są do hydrokoloidów - biopolimerów o dużej

masie cząsteczkowej (100 000 – 1 000 000 D), rozpuszczalnej w wodzie lub tworzące w niej

zawiesinę. Zwiększają lepkość roztworów lub tworzą żele, często wykazują również właściwości

emulgujące i stabilizujące. Stosuje się je również do zapobiegania retrogradacji, stabilizacji emulsji,

lepszego związania wody, ukształtowania odpowiedniej tekstury produktu.

Pod względem budowy chemicznej hydrokoloidy dzielą się na polisacharydowe i białkowe , a

dodatkowymi cechami różnicującymi są:

 rodzaj łańcucha (prosty lub rozgałęziony)

 typ reaktywnej grupy bocznej (np. hydroksylowa, siarczanowa, karboksylowa,

aminowa)

 powinowactwo elektryczne (np. polisacharydy anionowe, obojętne)

Podstawy tworzenia się żeli

Żelowanie jest to proces przejścia zolu lub roztworu wielkocząsteczkowego w żel, czyli

układ koloidowy który utracił swą płynność wskutek wzajemnego oddziaływania między

cząsteczkami zolu.

Strukturę żelu zależnie od rodzaju polimeru tworzą wiązania hydrofobowe i wodorowe oraz

wiązania jonowe i kowalencyjne. Proces żelowania może zostać zainicjowany pod wpływem

czynników fizycznych takich jak zmiany temperatury lub chemicznych.

Proces tworzenia roztworu lub dyspersji o wysokiej lepkości przez hydrokoloidy polega na

przyłączaniu się cząstek wody do polimeru za pomocą wiązań wodorowych. Proces ten przebiega w

środowisku wodnym i powoduje zwiększenie efektywnej wielkości cząsteczek, ograniczając ich

naturalne tendencję do zwijania się w ścisłe, zbite kształty. Wynikiem procesu żelowania jest

utworzenie roztworu lub dyspersji o wysokiej lepkości.

Cząsteczki mogą się łączyć ze sobą w następujący sposób:

a) liniowo jedna z drugą na części swojej długości za pomocą wiązań poprzecznych i w ten

sposób tworzyć mocne żele

b) znacznie rozgałęzione cząsteczki mogą łączyć się ze sobą jedynie w paru punktach tworząc

żele o innej charakterystyce.

Żelowanie hydrokoloidów zachodzi na drodze:

1. asocjacji makrocząsteczek

2. tworzenia się wiązań chemicznych (wodorowych, elektrostatycznych, kowalencyjnych)

między makrocząsteczkami lub cząsteczkami koloidów

3. indukcji termicznej (najczęściej) lub chemicznej oraz obecności jonów metali np.

wapnia, potasu, magnezu.

1. Formowanie żelu hydrokoloidów białkowych (żelatyna)

Żelowanie przebiega na ogół dwustopniowo. Najpierw dysocjują struktury czwartorzędowe

i rozfałdowują się łańcuchy polipeptydowe wskutek denaturacji lub częściowej hydrolizy

polimerów. Zdenaturowane cząsteczki w łańcuchach polipeptydowych oddziałując między sobą

wiązaniami wodorowymi, tworzą trójwymiarową strukturę. Oziębienie układu zazwyczaj ją

stabilizuje. Jeśli szybkość tworzenia struktury jest mniejsza niż szybkość denaturacji, to powstaje

uporządkowana sieć przezroczystego, odwracalnego żelu.

Żelatyna tworzy żel już w 0,5-1,0% schłodzonym wodnym roztworze zgodnie z formułą:

40C

ŻEL ZOL

30C

Proces jest odwracalny – po ogrzaniu żel przechodzi w zol.

Lepkość żelu wzrasta wykładniczo ze wzrostem stężenia roztworu oraz ze spadkiem temperatury.

Do wytworzenia galaretki żelatyna nie wymaga obecności cukru.

2. Formowanie żeli hydrokoloidów polisacharydowych

Formowanie żeli pektynowych

Szybkość żelowania preparatów pektynowych zależy głównie od stopnia estryfikacji pektyn

(stopień estryfikacji jest określony jako stosunek liczby zestryfikowanch jednostek kwasu

galakturonowego do łącznej liczby jednostek kwasu galakturonowego w cząsteczce). Stopień

estryfikacji stanowi podstawę klasyfikacji pektyn na wysoko i niskometylowane.

1) Pektyny wysokometylowane HM są to rozpuszczalne w wodzie estry alkoholu metylowego i

kwasu poligalakturonowego o stopniu zestryfikowania grup karboksylowych powyżej 50%, co

odpowiada zawartości grup metoksylowych (CH 3 O-) 8-12%.

Optymalną zdolność żelowania pektyny wysokometylowanej (HM) uzyskuje się w następujących

warunkach: stężenie cukru 65%, pH  3,5 i stężenie pektyny 0.3-2%, w zależności od zdolności

żelowania preparatu pektynowego.

Pektyna rozpuszczona w wodzie lub roztworze cukru tworzy układ koloidalny, w którym cząsteczki

związków pektynowych są zdysocjonowane i tworzą ujemny ładunek elektryczny, a to powoduje że

odpychają się wzajemnie. Obniżenie pH przez dodatek kwasu powoduje cofnięcie dysocjacji grup

karboksylowych pektyn, a tym samym ich neutralizację czyli obniżenie ładunku elektrycznego i

utworzenia się siatki przestrzennej. Dodatek cukru powoduje odciągnięcie cząsteczek wody od

cząsteczek pektyny i skupienie ich wokół cząsteczek cukru, co ułatwia tworzenie się wiązań

wodorowych między grupami hydroksylowymi (-OH) łańcuchów pektynowych.

Cząsteczki pektyn ulegają w roztworze ruchom drgającym i ruchom Browna, a energia kinetyczna

tych cząsteczek wzrasta w miarę wzrostu temperatury podgrzewania roztworu. Obniżając

temperaturę uzyskuje się zmniejszenie wartości energii kinetycznej cząsteczek pektyn, a przez to

wiązania tworzące siatkę przestrzenną żelu są trwalsze.

Temperatura żelowania zwiększa się wraz ze wzrostem stopnia estryfikacji, z obniżeniem pH

środowiska i wzrostem zawartości ekstraktu .

Stosując odpowiednio wysoko zestryfikowaną pektynę można np. wydłużyć czas żelowania

rozlewanych dżemów, tak aby nie następowało ich żelowanie już w naczyniu napełniającym.

2) Pektyny nikskometylowane (LM) są to rozpuszczalne w wodzie estry alkoholu metylowego i

kwasu poligalakturonowego o stopniu zestryfikowania grup karboksylowych poniżej 50%, gdzie

zawartość grup metoksylowych CH 3 O- wynosi 7%.

Pektyny niskometylowane zdolne są do tworzenia żeli niskocukrowych (stężenie cukru 30-40%) w

obecności jonów Ca 2+ . W cząsteczkach pektyn LM istnieją mocno związane obszary, utworzone

przez jednostki kwasu galakturonowego położone naprzeciwko siebie w linii zygzakowatej. Układ

taki związany zostaje jonami Ca 2+ , które wchodzą w połączenia z grupami karboksylowymi i

hydroksylowymi łańcucha pektynowego. Taki model żelu pektyn LM określony jest jako egg- box

czyli „pudełko na jaja” (ryc. 1).

Ryc. 1. Model żelu pektyny LM egg-box. O – jony Ca 2+

Niezbędne stężenie jonów wapnia powinno wynosić 0,01-0,1%, pH 3-6 a stężenie pektyny

1,5-3%. Temperatura żelowania jest tym wyższa im niższy stopień estryfikacji, niższe pH i większa

zawartość ekstraktu. W przeciwieństwie do pektyny HM żel pektyny LM może być roztopiany

przez podgrzewanie. Żele te są podatne na synerezę.

Formowanie żelu skrobi

Ziarna skrobi są nierozpuszczalne w zimnej wodzie, podczas podgrzewania wodnej

zawiesiny skrobi natywnej następuje wzrost jej lepkości. Siły wiążące pomiędzy poszczególnymi

łańcuchami skrobi ulegają osłabieniu i do ziarna skrobi wnika woda, ziarna te pęcznieją i

powiększają się, a powyżej pewnej temperatury, innej dla każdego gatunku skrobi, otoczka ziaren

pęka, wydobywa się z nich amyloza, której liniowe proste lub spiralnie skręcone łańcuchy za

pośrednictwem wiązań wodorowych, tworzą trójwymiarową sieć unieruchamiającą znaczne ilości

wody. Struktura tych ziaren ulega wówczas nieodwracalnemu zniszczeniu powodując jednocześnie

wzrost lepkości roztworu. Właściwości żelujące skrobi są zależne głównie od frakcji amylozy.

Temperaturę odpowiadającą tym przemianom nazywa się temperaturą kleikowania. Gdy taki

roztwór odstawi się na pewien czas, przy dużej koncentracji skrobi tworzy się trójwymiarowa

usieciowana konstrukcja żelu.

Żele amylozy wykazują tendencję do retrogradacji, czyli nieodwracalnej przemiany skrobi

rozpuszczalnej lub zdyspergowanej w formę nierozpuszczalną – mikrokrystaliczną, co powoduje

wytrącanie się osadów lub zmianę konformacji produktów skrobiowych.

Żel skrobi modyfikowanej uzyskuje się w wyniku obróbki chemicznej, fizycznej lub

enzymatycznej. Te metody modyfikacji skrobi mają na celu polepszenie określonych właściwości

skrobi lub nadanie nowych specyficznych dla danego preparatu właściwości, np. dodatek

acetylowanych adypinianów dwuskrobiowych (E 1422) do jogurtów w ilości od 0.6 do 1.0%

wpływa na ich stabilizację powodując, że jogurty są gęste, kremowe o niezmienionym smaku.

Otrzymywanie skrobi modyfikowanych przez utlenianie może odbywać się za pomocą różnego

rodzaju czynników chemicznych: podchlorynów, wody utlenionej i nadtlenków, nadmanganianów,

chloranów, itp. W łańcuchach skrobi powstają grupy aldehydowe, karboksylowe, karbonylowe.

Najstarszym a jednocześnie najpowszechniej stosowanym sposobem jest utlenianie za pomocą

podchlorynu sodu (5,5%NaOCl) z niewielkim dodatkiem NaOH (pH 9-10).

Formowanie żeli karagenów

Mechanizm formowania żelu związany jest ze strukturą konformacyjną karagenu, który

tworzy podwójne spirale (ryc. 2). Przy zbliżonej sekwencji łańcuchów moc żeli karagenowych jest

tym większa im bardziej jednorodna jest sekwencja łańcucha, ponieważ możliwe jest wówczas

utworzenie podwójnej spirali o większej długości, dzięki czemu wzajemne dopasowanie spirali jest

lepsze. Podczas schładzania zolu powstaje trójwymiarowa struktura sieciowa.

Ryc. 2. Schemat procesu żelowania karagenu

Duży wpływ na zdolność żelowania karagenów oraz jakość żeli ma obecność jonów metali:

potasu, wapnia i amonu: kappa karagen tworzy najmocniejsze i najbardziej elastyczne żele w

obecności K + , a jota karagen w obecności Ca 2+ . Ze wzrostem stężenia KCl rośnie sztywność i siła

żelu.

Galaretki karagenowe żelują w temperaturze 30˚C, a rozpływają się w temperaturze 45˚C.

Czynniki wpływające na proces żelowania

1. Stężenie

Szybkość formowania żeli zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia roztworu, w wyniku

zwiększonej liczby zderzeń cząsteczek. W przypadku gdy cząstki wykazują nitkowatą formę,

żelowanie może zachodzić przy bardzo niskim ich stężeniu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: