Эмульгаторы

Яичный желток используется в кулинарии как натуральный эмульгатор

Эмульга́торы — вещества, обеспечивающие создание и стабилизацию эмульсий из несмешивающихся фаз, в первую очередь масла и воды. Эти поверхностно-активные соединения занимают важное место в современных технологических процессах пищевой, косметической и фармацевтической отраслей промышленности. Их применение позволяет получать устойчивые системы с заданными структурно-механическими свойствами, продлевать сроки хранения продукции и улучшать её потребительские качества.

История и значение

Значительную часть современного рациона составляют эмульгированные пищевые изделия. Дисперсные системы на основе воды и жиров, стабилизированные естественными и искусственными поверхностно-активными компонентами, демонстрируют более высокую степень усвоения организмом человека в сравнении с натуральными маслами и жирами. Вариация пропорций водной и жировой фаз, концентраций и соотношений поверхностно-активных элементов позволяет конструировать продукты с заданным составом и характеристиками. Устойчивость эмульсионных изделий определяется множеством аспектов: разновидностью и химическим строением эмульгатора, методикой получения пищевых эмульсий, уровнем модификации и очистки составляющих липидной фазы дисперсной системы.

Подбор эмульгирующих веществ для создания эмульсионных продуктов определяется многочисленными условиями, описывающими как предполагаемые свойства итогового изделия, так и специфику технологической процедуры его производства. Существенную важность представляют тип и характеристики эмульсионной системы, потенциальное взаимовлияние эмульгатора с другими составляющими рецептуры, а также его воздействие на органолептические показатели продукта, охватывающие вкусовые качества, запах и тактильные восприятия во рту при потреблении. Технологические аспекты смешивания, гомогенизации, взбивания, перекачивания и прочие операции значительно воздействуют на выбор оптимального эмульгатора.

Классификация и свойства

Поверхностно-активные компоненты служат обязательной составляющей при изготовлении пищевых эмульсий. Применение эмульгаторов в рецептурах спредов, маргаринов и майонезов усиливает дисперсность и устойчивость конечного изделия, содействует лёгкому усвоению масел и жиров, присутствующих в составе продукта, организмом человека. Следовательно, эмульгирующие агенты демонстрируют не только технологические, но и функциональные качества. Исследование состава эмульгаторов для определения критериев их функционирования представляет собой обязательный и значимый этап в производстве пищевых изделий.

Критическим параметром качества эмульсионных продуктов выступает их устойчивость при тепловом и механическом влиянии. Она обусловлена различными условиями: балансом гидрофильных и липофильных фрагментов в химической структуре эмульгатора; составом и концентрацией твёрдых и жидких фаз в триацилглицеринах как создаваемых эмульсий, так и применяемого эмульгирующего агента; технологическими режимами кристаллизации пищевых эмульсий. Основными характеристиками липидной фазы эмульсионных масложировых изделий, содержащей природные масла и их комбинации с модифицированными жировыми составляющими, а также с эмульгаторами, служат пластичность, удобная намазываемость и низкая температура плавления. Эти параметры зависят от грамотно подобранного комплекса поверхностно-активных веществ, компонентного состава используемых эмульгаторов, их свойств и концентрации.

Следующей значимой функцией эмульгаторов является регулирование процесса кристаллизации жиров. Эмульгирующие агенты, участвуя в образовании структуры пищевых эмульсий, задают величину кристаллов дисперсной фазы и быстроту их увеличения. От состава и характеристик эмульгатора зависит формирование структуры и консистенции изделия, его термостабильность. Именно технологические свойства правильно выбранного эмульгатора обуславливают однородную и пластичную консистенцию при замораживании и оттаивании продукта и воздействуют на продолжительность хранения, препятствуя выделению капель воды или масла.

Основные типы эмульгаторов

Отмечается растущий интерес не только к моно- и диглицеридам жирных кислот, но и к их комбинациям с фосфолипидами и их синтетическими аналогами. Среди всех классов фосфолипидов наибольшей поверхностной активностью обладает фосфатидилхолин (лецитин), меньшей — фосфатидилсерин, фосфатидилинозитол и фосфатидные кислоты.

Созданы комбинированные эмульгаторы (моноглицериды/лецитин) с использованием разных типов моноглицеридов (твёрдых и мягких) и лецитинов (фракционированных, гидролизованных, ацетилированных), проявляющие эмульгирующее и антиокислительное действие для различных видов эмульсий в широком спектре жирности. При комбинировании эмульгаторов наблюдается синергетический эффект усиления характеристик отдельных поверхностно-активных компонентов, входящих в комплекс.

Гидрофильно-липофильный баланс

Важнейшим параметром качества эмульгатора служит гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Величина ГЛБ эмульгатора устанавливает возможность его использования для эмульсий разных типов. Для эмульсии вида «вода в масле» (инвертного типа) требуется применять эмульгатор с ГЛБ от 2 до 6, где процент гидрофильных фрагментов составляет от 10 до 30. Эмульгатор с таким значением ГЛБ следует растворять в масле или многокомпонентной жировой фазе. При изготовлении эмульсий типа «масло в воде», принадлежащих к прямому типу, необходимо выбирать эмульгатор с большим значением ГЛБ в диапазоне от 10 до 14. В структуре таких эмульгаторов доля гидрофобных групп равняется от 30 до 50 процентов. Для получения устойчивых эмульсий этого типа эмульгатор требуется диспергировать в водных или молочных фазах.

Система отбора эмульгатора на базе ГЛБ охватывает три главных стадии. Первая стадия предполагает установление оптимального значения ГЛБ для проектируемого изделия. На второй стадии определяются наилучшие виды эмульгаторов. Третья стадия включает окончательную регулировку ГЛБ. В этой процедуре эмульгаторы и смеси со значениями ГЛБ за пределами установленного диапазона могут быть исключены для уменьшения числа испытаний при применении метода проб и ошибок. Определение наилучшего значения ГЛБ охватывает выбор подходящей пары эмульгаторов (один липофильный, другой гидрофильный) с известными величинами, приготовление серии опытных эмульсий с отобранными эмульгаторами, которые комбинируются таким способом, чтобы получить разные значения ГЛБ, оценку полученной серии смесей эмульгаторов с использованием соответствующих методик оценки функциональной эффективности, базирующихся на требованиях к изделию.

Влияние на кристаллизацию

На процесс кристаллизации эмульсии может влиять несколько аспектов, в том числе наличие в жировой фазе эмульгатора. Он, будучи тугоплавким ингредиентом, исполняет роль центра кристаллизации, содействуя агломерации и росту кристаллов в дисперсной системе. В процессе выпуска эмульгаторов применяются твёрдые природные и модифицированные масла, а также жиры или жирные кислоты различной степени чистоты. При производстве моноглицеридов посредством глицеролиза модифицированных жиров дистиллированным глицерином полученная смесь продуктов реакции центрифугируется и подвергается молекулярной дистилляции. В качестве сырья используются твёрдые жиры, полученные гидрированием с температурой плавления от 55 до 80 °C и йодным числом от 1 до 3 г I2/100 г.

Вследствие протекания процесса при температуре 210—220 °C в присутствии катализатора и остаточном давлении 30—35 кПа образуется незначительное количество транс-изомеризованных жирных кислот, содержание которых в готовом продукте составляет от 2 до 4 процентов. Определение количества элаидиновой кислоты, являющейся транс-изомером олеиновой кислоты, проводили методом ИК-Фурье спектроскопии диффузионного отражения. Процесс каталитической переэтерификации и глицеролиза сопровождается транс-изомеризацией и перемещением двойных связей в молекулах жирных кислот. Эти химические преобразования ведут к возрастанию твёрдости и температуры плавления липидной фазы.

Применение в косметической промышленности

Эмульгаторы получают широкое распространение не только в пищевой, но и в косметической индустрии. Стандартное косметическое средство включает от 5 до 50 компонентов. В среднем женщина применяет от 2 до 15 средств по уходу и гигиенических продуктов в день, поэтому, согласно исследованиям, в комбинации с парфюмерией женщины ежедневно наносят на кожу приблизительно 515 химических соединений. Хотя формула каждого продукта индивидуальна, большинство косметических изделий содержат комбинацию как минимум некоторых из следующих основных ингредиентов: вода, эмульгатор, консервант, загуститель, смягчающее средство, краситель, отдушка и стабилизаторы рН.

Термин «эмульгаторы» в косметологии относится к любому компоненту, который помогает предотвратить расслоение разнородных веществ, например, масляных и водных фаз. Многие косметические продукты базируются на эмульсиях — микроскопических каплях масла, диспергированных в воде, или микроскопических каплях воды, распределённых в масле. Поскольку масло и вода не смешиваются, независимо от интенсивности встряхивания, для изменения поверхностного натяжения между водой и маслом вводятся эмульгаторы. В результате формируется однородный и тщательно перемешанный продукт с равномерной текстурой. Эмульгаторы, используемые в косметике, включают полисорбаты, лаурет-4 и цетилсульфат калия.

Безопасность и регулирование

Существует общий сокращённый перечень «нежелательных» ингредиентов в косметике, которые относятся к одной или нескольким из трёх основных категорий: раздражители или аллергены, потенциальные эндокринные дизрапторы — вещества, которые могут имитировать естественные гормоны организма человека и нарушать нормальную передачу сигналов этими химическими посредниками, и потенциальные канцерогены (агенты, вызывающие рак). К раздражителям и аллергенам в составе косметики причисляются метилизотиазолинон, метилхлоризотиазолинон, производные витамина А, отдушки, феноксиэтанол, нефтяные дистилляторы и формальдегиды.

Потенциальные эндокринные дизрапторы охватывают триклозан, триклокарбан, толуол, резорцин, нефтяные дистилляты, бутилированный гидроксианизол, борную кислоту, борат натрия, фталаты, экстракт плаценты, парабены и феноксиэтанол. Многие исследования, подтверждающие прямую связь между этими соединениями и гормональными нарушениями, проводились на животных, а не на людях. Кроме того, исследуемые вещества брались в более высоких дозировках, чем люди обычно получают при использовании косметических продуктов или средств личной гигиены.

Перспективы развития

Вполне очевидно, что формирование новых технических решений и производственных методик по разработке и выпуску современных эмульгаторов для пищевой промышленности представляется необходимым, что требует осуществления подобных проектов на постоянной основе. Ведущими компаниями в создании технологии производства пищевых эмульгаторов являются американская фирма Unilever bestfoods north am, датские предприятия Danisco и Soee joern borch, организация Unilever plc из Великобритании. Среди этих компаний присутствуют фирмы, наиболее активно патентующие технические решения и осваивающие национальные рынки сбыта продукции, а также те, которые обладают обширным рынком реализации своей продукции во многих государствах мира, что свидетельствует о высокой актуальности изучаемой проблемы.

Наиболее значимым индикатором тенденций использования каталитических процессов при глицеролизе жирных кислот, определяющим их конкурентоспособность, являются увеличение производительности метода обработки жиров и масел, усовершенствование биологических свойств продукта, улучшение органолептических характеристик изделия, повышение стабильности эмульсии. Реже патентуются результаты интеллектуальной деятельности, связанные с упрощением технологии обработки жиров и масел, повышением экологичности способа переработки жиров и масел. Тем не менее, эти параметры также важны для потребителя.