Альгинатно-пектиновое гелеобразование холодного застывания как потенциально устойчивый метод производства желейных конфет

Альгинатно-пектиновое гелеобразование холодного застывания как потенциально устойчивый метод производства желейных конфет

Основано на материале статьи Alginate/pectin cold-set gelation as a potential sustainable method for jelly candy production, LWT - Food Science and Technology, 2020

В последние годы экономический рост кондитерского рынка был обусловлен успешными запусками здоровых, обогащенных, функциональных и экологичных продуктов.

Концепция устойчивого развития для пищевой промышленности разворачивается на различных этапах производственной цепочки. В кондитерском секторе большое внимание уделяется устойчивому, органическому и "справедливому" производству основного сырья и упаковки, используемой для продукции.

Еще одним требованием устойчивости в промышленной цепочке является значительное сокращение потребления энергии и выбросов отходов в окружающую среду. Поскольку кондитерская промышленность производит различные продукты, такие как конфеты, кондитерские изделия и шоколад, это сокращение должно быть сосредоточено на особенностях каждой производственной системы. В частности, линия по производству конфет имеет различные процессы в зависимости от типа конфет, но все они включают этап варки сиропа как традиционную критическую точку, благодаря традиционному оборудованию и системам, которые соответствуют самым высоким энергетическим требованиям линии по производству кондитерских изделий. 

Желе и жевательные конфеты являются значительным и растущим сегментом в конфетной промышленности. Они представляют собой широкую группу продуктов, которые характеристики в значительной степени определяются желирующим агентом и конечным содержанием влаги.

При производстве желейных конфет структура геля определяется желирующим агентом, и он может образовываться путем #POPOVER1#гелеобразования#/POPOVER# в холодном состоянии или гелеобразования при нагревании. Наиболее распространенными #POPOVER2#гидроколлоидами#/POPOVER#, используемыми в рецептурах конфет, являются #POPOVER4#крахмал#/POPOVER#, #POPOVER5#пектин#/POPOVER#, #POPOVER6#агар#/POPOVER# и #POPOVER7#желатин#/POPOVER#. Все они требуют нагревания для застудневания конфет, что обычно делается на этапе варки сиропа.

Другие гидроколлоиды способны застудневать без нагревания. Гелеобразование в холодном состоянии - это технология, которая широко изучена, однако ее применение в промышленном производстве конфет остается неизученным.

Среди желирующих агентов холодного застывания следует отметить совместное использование #POPOVER8#альгината натрия#/POPOVER# и #POPOVER3#высокометоксилированного пектина#/POPOVER#. Механические свойства альгинатных/пектиновых гелей зависят от нескольких факторов, и механизм их желирования еще не до конца выяснен. При соединении при pH 3,4-3,8 они образуют #POPOVER9#когезивные#/POPOVER# сетки при комнатной температуре.

Желирование холодным способом - потенциальная экологичная альтернатива для желейных конфет промышленности, чтобы снизить потребность в энергии для создания структуры конфетного геля. В этом контексте целью данного исследования было оценить эффективность альгината натрия и пектина в качестве желирующих агентов для желейных конфет по сравнению с обычным гидроколлоидом.

Для приготовления желейных конфет использовались следующие ингредиенты: сахароза, глюкозный сироп, высокометоксилированный пектин, #POPOVER10#глюконо-дельта-лактон (ГДЛ)#/POPOVER#, #POPOVER11#цитрат натрия#/POPOVER#, лимонная кислота, грушевый ароматизатор, и пищевой краситель тартразин желтый.

Разработка желейных конфет

При разработке желейных конфет холодного застывания был использован метод альгинатно-пектинового желирования, который заключается в диспергировании гидроколлоидов в воде с последующим подкислением для стимулирования желирования. Гели более твердые при pH 3,4 и при соотношении альгината и пектина 1:1 (кг: кг).

Поскольку желейные конфеты традиционно получают из смеси гидроколлоидов и сахарного раствора, был предложен процесс производства холодных конфет, включающий следующие этапы: (1) растворение сахарозы и глюкозного сиропа в холодной воде, (2) #POPOVER12#диспергирование#/POPOVER# альгината и пектина в сахарном растворе, (3) растворение ГДЛ для подкисления системы и (4) добавление пищевого красителя и ароматизатора. Затем полученный сироп проходит обычные этапы производства желейных конфет: отсадка в крахмальные формы, сушка, расформовка и отделка.

Перемешивание ингредиентов проводилось с помощью цифровой мешалки (Tecnal, модель TE-039/1, Пирасикаба, Бразилия) с частотой вращения 380 об/мин. Продолжительность времени перемешивания на этапах изготовления конфет была фиксированной и составляла 3,44, 0,78, 0,66 и 0,20 мин для этапов (1), (2), (3) и (4) соответственно. Сироп дозировали вручную с помощью воронки и сушили в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией воздуха (Tecnal, модель TE-394/2, Пирасикаба, Бразилия) при температуре 35 °C в течение 72 ч.

Определение рецептуры желейных конфет

Всего было протестировано 18 рецептур конфет (Таблица 1). Конечное содержание растворимых сухих веществ в сиропах было зафиксировано при 71 °Brix и оценивалось следующим образом:

(a) Соотношение #POPOVER13#сахарозы#/POPOVER# и #POPOVER14#глюкозы#/POPOVER#, используемое в базовом #POPOVER15#сахарном сиропе#/POPOVER# (1: 1 и 1: 2, кг: кг, сухая основа);

(b) Процентное содержание смеси полимеров (альгинат/пектин), необходимое для стимулирования гелеобразования (10, 15 или 20 г/кг);

(c) Содержание ГДЛ, необходимое для подкисления системы (10, 15 или 20 г/кг).

Различное содержание было определено после предварительных испытаний. Для оценки предложенных рецептур в качестве стандартного образца было изготовлено пектиновое желе. Его готовили путем растворения сахарозы (381,7 г/кг), глюкозного сиропа (229,4 г/кг), цитрата натрия (1,3 г/кг), лимонной кислоты (4 г/кг) и пектина (12 г/кг) в воде (371,6 г/кг) и последующего нагревания при атмосферном давлении в течение 5,12 мин до 71 °Brix. Пектиновое желе дозировали в крахмальные формы, сушили в сушильной печи с принудительной циркуляцией воздуха (Tecnal, модель TE-394/2, Пирасикаба, Бразилия) при 35 °C в течение 72 ч и затем расформовывали.

Таблица 1.  Экспериментальное предложение по определению рецептуры альгинатных/пектиновых желейных конфет

Рецептура	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10	F11	F12	F13	F14	F15	F16	F17	F18
Сахароза: соотношение глюкозного сиропа (кг:кг сухая основа)	1:1									1:2
Смесь полимеров, состоящая из соотношения альгинат:пектин 1:1, кг:кг	10			15			20			10			15			20
Глюконо-дельта-лактон	10	15	20	10	15	20	10	15	20	10	15	20	10	15	20	10	15	20

Согласно предварительным испытаниям, производство конфет с содержанием полимерной смеси менее 10 г/кг оказалось невозможным из-за чрезмерной мягкости гелей и последующего разрушения на этапе сушки. Содержание растворимых сухих веществ в сахарном сиропе не должно быть выше 65 °Brix, из-за возможности насыщения сахарозы и последующей кристаллизации на этапе сушки.
Альгинатно-пектиновые конфеты, произведенные с более низким содержанием полимеров, не отличались (p > 0,05) от стандартных пектиновых конфет. Самые высокие показатели твердости были измерены в конфетах с наиболее высокими концентрациями гидроколлоидов.

Желе с соотношением сахарозы и сиропа глюкозы 1:2 (рецептуры 10-18) и 10 г/кг смеси полимеров (рецептуры 1-3; 10-12) имели высокую деструкцию и адгезию на текстурном ана-лизе. Это было признано нежелательным из-за возможности прилипания продукта к зубам во время жевания.

Как и ожидалось, составы с более высокой концентрацией ГДЛ имели более низкие значения pH. В конфетах, приготовленных из сиропа сахарозы и глюкозы в соотношении 1:1, кг: кг, значения инструментальной твердости росли по мере увеличения концентрации ГДЛ.

Кривые, показывающие средние значения твердости и содержания влаги при различных температурах в ходе исследования сушки, представлены на рис. 1 и 2.

Рисунок 1. Средние значения твердости (N) в процессе сушки желейных конфет холодного застывания (рецептура 7) при трех различных температурах (●: 35 °C; ■: 45 °C; ▲: 55 °C). Средние значения, обозначенные одинаковыми буквами, существенно не отличаются (p > 0,05) в зависимости от температуры сушки при одинаковом расчетном времени сушки.

Рисунок 2. Средние значения содержания влаги (кг/кг) в процессе сушки желейных конфет холодного застывания (рецептура 7) при трех различных температурах (●: 35 °C; ■: 45 °C;▲: 55 °C). Средние значения, обозначенные одинаковыми буквами, существенно не отличаются (p > 0,05) по отношению к температуре сушки при одинаковом расчетном времени сушки.

В процессе сушки температура оказывала значительное влияние (p < 0,05) на средние показатели твердости и содержания влаги. Визуально было видно, что конфеты, высушенные при 45 и 55 °C, имели кристаллизованный слой на внутренней поверхности, толщина которого увеличивалась с течением времени сушки.

Желейные конфеты традиционно имеют содержание влаги около 0,08-0,22 кг/кг. Обезвоживание конфет происходило быстрее при более высоких температурах сушки. При 45 °C снижение влажности было в 1,2 раза выше, чем при 35 °C, а при 55 °C снижение содержания влаги было в два раза выше, чем при 35 °C. Кривые активности воды и рН представлены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Средние значения активности воды в процессе сушки желейных конфет холодного застывания (рецептура 7) при трех различных температурах (●: 35 °C; ■: 45 °C; ▲: 55 °C). Средние значения, обозначенные одинаковыми буквами, существенно не отличаются (p > 0,05) в зависимости от температуры сушки при одинаковом расчетном времени сушки.

Рисунок 4. Средние значения pH в процессе сушки желейных конфет холодного застывания (рецептура 7) при трех различных температурах (●: 35 °C; ■: 45 °C; ▲: 55 °C). Средние значения, обозначенные одинаковыми буквами, существенно не отличаются (p > 0,05) в зависимости от температуры сушки при одинаковом расчетном времени сушки.

Средние значения a_w показали значительные различия (p < 0,05) на всех этапах кривой сушки при трех рассматриваемых температурах. Как и кривые влажности, температуры 45 °C и 55 °C показали самые низкие значения a_w . Для лучшей стабильности желейные конфеты должны иметь a_w в диапазоне от 0,5 до 0,75, что было достигнуто при всех температурах после 12 часов сушки.

При трех протестированных температурах наблюдалось резкое снижение значений pH после первых 12 часов сушки, за которым после 24 часов последовало увеличение с последующей стабилизацией; за исключением температуры 45 °C, при которой наблюдалось значительное увеличение pH в течение 48 часов. Результат подкисления был связан с используемым подкислителем. ГДЛ - это циклический эфир D-глюконовой кислоты, обычно используемый в качестве подкислителя в системах гелеобразования из-за его медленного и контролируемого подкисления, которое происходит при преобразовании в глюконовую кислоту в водной системе. 

Повышение рН через 24 ч может быть связано с уменьшением содержания влаги, что способствовало частичному восстановлению глюконовых кислот в ГДЛ. После 72 ч сушки, при всех температурах, средние значения pH были выше диапазона 3,8, рекомендуемого для образования геля. Однако все конфеты сохранили гелевую структуру, о чем свидетельствуют значения инструментальной твердости.

Было выбрано условие сушки при температуре 35 °C в течение 72 ч. Несмотря на более длительное время сушки, конфеты, высушенные в этих условиях, имели лучшие текстурные характеристики, отсутствие кристаллизованного слоя сахара на внутренней поверхности и конечные продукты с низкими средними показателями активности воды и содержания влаги, что способствует более длительному сроку хранения.

Производство конфет, физическая и физико-химическая характеристика

Новая партия рецептуры 7 была изготовлена для сравнительного исследования со стандартной конфетой PJ. Сироп конфеты APJ состоял из воды (237,1 г/кг), сахарозы (336,6 г/кг), сиропа глюкозы (396,3 г/кг), альгината натрия (10 г/кг), высокометоксилированного пектина (10 г/кг), ГДЛ (10 г/кг), грушевого ароматизатора (1,8 г/кг готового сиропа) и пищевого красителя тартразина желтого (0,5 г/кг готового сиропа). Рецептура PJ состояла из воды (372,7 г/кг), сахарозы (381 г/кг), глюкозного сиропа (229 г/кг), высокометоксилированного пектина (12 г/кг), лимонной кислоты (4 г/кг), цитрата натрия (1,3 г/кг), грушевого ароматизатора (1,6 г/кг готового сиропа) и пищевого красителя тартразин желтый (0,4 г/кг готового сиропа).

Образцы показали значительную разницу (p < 0,05) в отношении параметров текстуры, за исключением липкости. Гель APJ имел более твердую текстуру с меньшей эластичностью, связностью, жевательностью и силистостью. При использовании смеси альгината и пектина в желе, полученный гель более мягкий и менее клейкий, чем другие конфетные гели, произведенные с использованием каррагинана-коньяка, желатина/кукурузного крахмала и модифицированных крахмалов/некрахмальных #POPOVER16#полисахаридов#/POPOVER#.

#POPOVER17#Колориметрический#/POPOVER# параметр конфет APJ был значительно выше (p < 0,05), чем у конфет PJ, что свидетельствует о четкой и непрозрачной окраске, визуально наблюдаемой в продукте. Показатели содержания влаги в двух видах обработки не отличались (p > 0,05) и соответствовали прогнозируемому диапазону для данной категории продуктов. 
Оба вида обработки представили значенияw в рекомендуемом диапазоне 0,5-0,75, однако, среднее значение активности воды APJ было значительно выше (p < 0,05), чем значениеw PJ. По сравнению с монокомпонентными гелями, системы альгинат натрия/пектин имеют больше водородных связей между цепями макромолекул. Поэтому энергия связывания воды в системе и доля связанной воды увеличиваются, а скорость удаления воды в таких гелях медленнее. Этим фактором можно объяснить более высокие средние значения aw конфет APJ.

Значение pH PJ находилось в диапазоне 3-3,5, что показано для гелеобразования пектина с высоким метоксилированием, в то время как значение pH APJ было умеренно выше, чем рекомендуется для гелеобразования альгината/пектина.

Микроструктуры конфет APJ и PJ (рис. 5) имели различные характеристики по сравнению с конфетами, изготовленными с использованием других гидроколлоидов, таких как желатин и крахмал.

Рисунок 5. Сканирующая электронная микроскопия (а) альгинатно-пектинового желе при 100 мкм и (б) пектинового желе при 100 мкм.

Микроскопические изображения позволили убедиться в наличии плотной и однородной сетевой структуры с большим количеством пор. 

Производство желейных конфет методом холодного застудневания с использованием смесей альгината и пектина имеет большую перспективность. На ощупь альгинатные/пектиновые конфеты не имели существенных различий по сравнению с пектиновыми конфетами, что указывает на возможность использования холодного способа производства в качестве альтернативы традиционному процессу производства конфет. Разработанный в данном исследовании процесс имел более низкое энергопотребление, чем традиционное производство конфет с нагревом, что позволяет говорить о потенциале устойчивого развития конфет с холодным формованием на рынке кондитерских изделий.