Использование микрокристаллической целлюлозы и ксантановой камеди в качестве стабилизаторов для приготовления взбитых сливок

Использование микрокристаллической целлюлозы и ксантановой камеди в качестве стабилизаторов для приготовления взбитых сливок

Обычно во взбитых сливках, которые широко используются при производстве многих пищевых продуктов, например десертов, содержится 30-40% молочного жира, кондитерских изделий, мороженого и тортов. С развитием технологий стерилизации, особенно с применением ультравысокотемпературной (УВТ) стерилизации, количество вредных микроорганизмов во взбитых сливках значительно сократилось, а срок хранения увеличился с нескольких дней до более чем 6 месяцев. В то же время перебои с поставками молока и ограничения на его транспортировку на большие расстояния являются давними проблемами. Такие условия производства привели к тому, что стерилизованные УВТ взбитые сливки становятся все более популярными среди производителей молочной продукции. Однако высокое содержание жиров во взбитых сливках делает их склонными к агрегации, флокуляции в процессе хранения.

Приготовление эмульсий

Вкратце: 1) Твин 80, сульфоэфир, ксантановая камедь и микрокристаллическая целлюлоза диспергируются в обезжиренном молоке и нагреваются на водяной бане в течение 2 мин; 2) обезжиренное молоко медленно добавляется к свежим взбитым сливкам жирностью 40% и стандартизируется до получения сливок жирностью 35%; 3) стандартизированные сливки однократно гомогенизируются гомогенизатором высокого давления. В основе природы микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) лежит способность управлять вязкостью, площадью поверхности, тиксотропией или связыванием воды за счет взаимодействия микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) с другими гидроколлоидами, такими как ксантановая камедь. Исходя из вышеизложенного, целью настоящего исследования является изучение синергетического эффекта микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и ксантановой камеди во взбитых сливках, а также изменение характеристик взбивания сливок под воздействием двух стабилизаторов. Далее был рассмотрен механизм стабилизации, регулируемый диапазон давления (0-100 МПа), производительность (22 литра в час). После первой гомогенизации взбитые сливки стерилизовали в сверхвысокотемпературном стерилизаторе при температуре 137 ⁰C в течение 4 с). Ультравысокотемпературный стерилизатор лабораторного масштаба оснащен теплообменником и максимальный расход (30 л/час). После стерилизации взбитые сливки второй раз быстро гомогенизировали с помощью гомогенизатора высокого давления при давлении 5 МПа; 4) взбитые сливки наполняли в асептических условиях и быстро охлаждали до температуры ниже 10 ⁰C; и 5) упакованные УВТ взбитые сливки хранили в холодильнике при температуре 4◦ C в течение 24 ч для ожидания образования кристаллизации жира. Рецептуры образцов приведены в таблице 1; образцы, приготовленные с использованием микрокристаллической целлюлозы или ксантановой камеди, обозначены как MCC или XG, соответственно. Образцы, приготовленные с использованием микрокристаллической целлюлозы и ксантановой камеди, обозначены как A, B и C соответственно. Кроме того, в качестве обычного контроля использовались взбитые сливки без стабилизатора.

Распределение частиц по размерам образцов

Стабильность и пенообразующая способность взбитых сливок зависит от размера их частиц. В целом эмульсии со взбитыми сливками с меньшим размером частиц означают, что вся система эмульгирования более стабильна. Интересно, что взбитые сливки с чрезмерно малым размером частиц приводят к ухудшению их способности к частичной коалесценции и, как следствие, к увеличению времени взбивания. Кроме того, при чрезмерном взбивании нарушается кристаллизация жира в сливках, которые становятся плотными и склонны к свертыванию. Поэтому размер частиц взбитых сливок должен контролироваться в подходящем диапазоне, чтобы сбалансировать стабильность эмульсии и характеристики взбивания. На рис. 1а и б приведены средние размеры частиц D3,2 и гранулометрические распределения образцов, соответственно. В образце микрокристаллической целлюлозы (рис. 1б) наблюдается двойной пик распределения, причем первый пик распределения относится к диспергированным глобулам молочного жира. Было замечено, что значительно меньший второй пик либо на более крупные капли, которые не успели разрушиться, либо на частично коалесцированные жировые кластеры размером около 29,17-81,01 мкм, что означает, что образец ксантановой камеди уже находился в нестабильном состоянии. К р о м е того, образец ксантановой камеди имел бимодальное распределение, причем второй пик находился в диапазоне 55,23-94,04 мкм. Это может быть связано с взаимодействием ксантановой камеди с молочными белками. В частности, некоторые молочные белки, такие как казеин и сывороточного белка может образовывать с ксантановой камедью усиленную интенсивную гелеобразную сетевую структуру. Несколько глобул молочного жира оказывались завернутыми в гелеобразную сетевую структуру, что затрудняло их диспергирование в непрерывной фазе. Из-за влияния этого эффекта обволакивания на процедуру эмульгирования сохранялась устойчивость, поэтому в эмульсии наблюдались более крупные частицы. Образцы А, В и С (рис. 1а) были стабилизированы синергизмом микрокристаллической целлюлозы и ксантановой камеди, при этом средний размер частиц был меньше, чем у образцов без добавления стабилизатора, ксантановой камеди и микрокристаллической целлюлозы, что свидетельствует о более эффективном действии комбинированного стабилизатора по сравнению с отдельным стабилизатором.

Кажущаяся вязкость

Поведение эмульсии при течении является критическим для ее физической стабильности. Кажущаяся вязкость эмульсии влияет на скорость частичной коалесценции в процессе взбивания процесс, который является существенным фактором, определяющим характеристики УВТ взбитых сливок. Согласно общей теории, кажущаяся вязкость эмульсии увеличивается, что приводит к уменьшению миграции глобул молочного жира. Таким образом, снижается вероятность столкновения глобул молочного жира, что способствует длительной стабильности эмульсии взбитых сливок при хранении. Однако взбитые сливки имеют повышенную липкость, что затрудняет коалесценцию жира и приводит к ухудшению их взбиваемости. Как видно из рис. 2, с увеличением скорости сдвига все образцы демонстрируют сдвиговое истончение, связанное с деформацией и разрушением флокул в поле течения. При низких и высоких скоростях сдвига образцы с добавлением ксантановой камеди (A, B, C и XG) демонстрировали более высокую кажущуюся вязкость, что можно объяснить тем, что ксантановая камедь увеличивает вязкость непрерывной фазы взбитых сливок.  Отрицательно заряженная ксантановая камедь взаимодействует с положительно заряженными мицеллами казеина, образуя высокоструктурированную сеть, которая способствует увеличению вязкости образца и прочности геля. Кроме того, кажущаяся вязкость образца микрокристаллической целлюлозы сохраняется на низком уровне по сравнению с контролем, что свидетельствует о незначительном улучшении характеристик текучести эмульсий за счет микрокристаллической целлюлозы. Это означает, что текучесть эмульсий была обусловлена в основном использованием ксантановой камеди, а не микрокристаллической целлюлозы. Интересно, что образцы микрокристаллической целлюлозы и А демонстрировали явление сдвигового уплотнения при высокой скорости сдвига. Однако для эмульсий с меньшей концентрацией микрокристаллической целлюлозы явления сдвигового уплотнения не наблюдалось. Такое поведение объясняется тем, что высокое содержание микрокристаллической целлюлозы образует "кластеры частиц" в ответ на высокие сдвиговые усилия, что приводит к изменению напряжения. Изменение вязкости при изменении скорости сдвига имеет решающее значение для последующего процесса получения аэрированных сливок, так как позволяет выявить агрегацию жировых глобул и их уязвимость при определенных условиях сдвига, что необходимо для превращения скоплений в жировую сеть.

Испытание образцов на длительное хранение

Ультравысокотемпературная обработка направлена на получение стерильных взбитых сливок длительного срока хранения, которые после нагрева и охлаждения асептически упаковываются. Ультразвуковой взбиватель качественный пинг-крем с 30%-35% жира может иметь срок хранения до 6 месяцев при температуре 4◦ С. Однако капли имеют тенденцию к движению вверх из-за разницы в плотности масляной и водной фаз, что получило название кремообразования. Далее при достаточно длительном хранении в верхнем слое происходит коалесценция, приводящая к образованию агломерированного масляного слоя, называемого замасливанием. Изображения образцов до и после испытания на длительное хранение приведены на рис. 3. На 3-м месяце все образцы, кроме образца В, демонстрируют разную степень замасливания. Вероятно, это связано с низкой кажущейся вязкостью эмульсии. В эмульсиях с низкой вязкостью капли часто не сталкиваются друг с другом, что приводит к обширной флокуляции и ускорению процесса кремообразования, а значит, к дальнейшей агрегации жиров. Согласно закону Стокса частично скопившийся жир ускоряется под действием силы тяжести и всплывали на поверхность эмульсии. В большинстве образцов при хранении в течение 6 м е с я ц е в наблюдается сильная маслянистость. Однако образец В имеет однородный молочно-белый ц в е т, а капли жира распределяются однородно, без агрегации. Кроме того, следует отметить, что в образце микрокристаллической целлюлозы наблюдалось незначительное количество преципитатов, а в других образцах (А, В и С), компаундированных с ксантановой камедью, этого не наблюдалось. Это объясняется тем, что нерастворимые частицы микрокристаллической целлюлозы не были завернуты в гелевую сеть, образованную ксантановой камедью-молочным белком, что привело к их миграции на дно эмульсий. Сочетание анализа распределения частиц по размерам (рис. 1б) показывает, что микрокристаллическая целлюлоза не подходит только для стабилизации эмульсий. Нерастворимые и легко диспергируемые свойства микрокристаллической целлюлозы ускоряют нестабильность эмульсий. Примечательно, что каплевидный слой сыворотки образцов ксантановой камеди и А был практически прозрачным, а граница между верхним и нижним слоями была наиболее четкой среди всех образцов, что еще раз подтверждает эффект сворачивания гелевой сети при образовании ксантановой камеди из молочного белка. Что касается образца В, то он оставался стабильным в течение всего 6-месячного периода хранения. Это может быть связано с тем, что в присутствии анионного полисахарида силы взаимодействия между каплями масла, наполненными микрокристаллической целлюлозой, ослабевают, что препятствует агрегации капель жидкости.

Заключение

При использовании стабилизаторов микрокристаллической целлюлозы и ксантановой камеди для приготовления взбитых сливок результаты показали, что комбинированные стабилизаторы значительно эффективнее одиночных стабилизаторов в стабилизации эмульсий, из которых наиболее очевидными являются поддержание стабильности размера частиц эмульсии и предотвращение коалесценции жира. Кроме того, микроскопическое наблюдение подтвердило, что микрокристаллическая целлюлоза улучшает адгезию жидких белков и перераспределение жировых глобул. Агрегация, способствующая равномерному распределению глобул белка и молочного жира вокруг воздушных пузырьков, а высокая вязкость ксантановой камеди повышает жесткость межфазных пленок воздушных пузырьков. Полученные результаты могут способствовать рациональному проектированию новых компонентов взбитых сливок, а также синергетическому применению твердых частиц на основе целлюлозы и полисахаридов в аэрируемых эмульсиях.