Влияние замораживания и оттаивания на устойчивость пищевых эмульсий: механизмы и ключевые факторы

Пищевые эмульсии окружают нас повсюду: майонез, молоко, сливки, мороженое, сливочное масло. Это высокодисперсные коллоидные системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых жидкостей — полярной воды и неполярного масла (или жира). Их стабильное существование возможно благодаря эмульгаторам — веществам, которые концентрируются на границе раздела фаз и предотвращают слияние капель.

Многие из этих продуктов подвергаются заморозке — либо для увеличения срока хранения, либо в соответствии с технологией производства (как в случае с мороженым). Однако проблема заключается в том, что после оттаивания эмульсия часто теряет свою структуру, расслаивается или полностью разрушается. Понимание механизмов этого разрушения — ключ к созданию стабильных замороженных продуктов.

В данной статье мы рассмотрим физико-химические процессы, происходящие в эмульсиях при замораживании и оттаивании, а также факторы, влияющие на их устойчивость.

1. Что происходит с эмульсией при замораживании?

Процесс дестабилизации эмульсии проходит несколько стадий, которые можно разделить на этапы замерзания и оттаивания:

1. Начальное состояние: эмульсия «масло в воде» находится в жидком состоянии. Капли масла равномерно распределены в водной фазе.

2. Замерзание водной фазы: при охлаждении ниже точки замерзания вода начинает превращаться в лед. Поскольку лед имеет меньшую плотность, он расширяется, создавая внутреннее давление. Важно отметить, что замерзает не вся вода сразу.

3. Концентрирование капель: лед вытесняет капли масла в оставшееся незамерзшее пространство. Объемная доля дисперсной фазы (масла) в жидкой части резко возрастает. Капли сближаются и деформируются под давлением расширяющегося льда.

4. Оттаивание: при повышении температуры лед тает, но сеть из плотно сжатых капель масла (которые могут находиться в твердом кристаллическом состоянии) сохраняется. При дальнейшем нагреве капли плавятся и быстро сливаются друг с другом — происходит коалесценция, ведущая к выделению масла и полному распаду эмульсии.

На рисунке а) показана эмульсия масло в воде. При замораживании лед вытесняет твердые кристаллические масляные капли, которые вынуждены сближаться друг с другом в оставшемся ограниченном объеме фазы (рисунок b). Когда лед тает (рисунок с), сеть кристаллических твердых капель остается неповрежденной, но при дальнейшем нагреве капли плавятся и быстро коалесцируют (рисунок d), что приводит к выделению масла.

2. Ключевые факторы, влияющие на устойчивость

Устойчивость эмульсии к циклам замораживания-оттаивания зависит от двух групп факторов: изменения свойств водной фазы и механического давления.

2.1. Концентрация растворенных веществ (сахара и соли)

Состав водной фазы играет критическую роль, так как он определяет, сколько воды замерзнет и какие условия возникнут в незамерзшей части.

При замерзании воды растворенные вещества не переходят в лед, а концентрируются в оставшейся жидкой фазе. Например, в эмульсии с 10% сахарозы при -20°C её концентрация может достигнуть 67%.

• Положительный эффект: чем выше концентрация сахара, тем меньше воды замерзает при данной температуре, а значит, снижается давление льда на капли.
• Отрицательный эффект: высокие концентрации сахара могут дегидратировать поверхностный слой эмульгатора (особенно белков), изменяя его конформацию и стабильность. Эффективность сахаров сильно варьируется в зависимости от конкретной системы эмульгаторов.

График влияния температуры замерзания воды от концентрации сахарозы, где Те - эвтектическая точка - температура, при которой смесь двух или более компонентов кристаллизуется как однородная фаза.

Влияние солей еще более выражено. Как и сахара, они снижают температуру замерзания и уменьшают количество льда. Это имеет критический недостаток: высокие концентрации солей экранируют (подавляют) электростатическое отталкивание между одноименно заряженными каплями масла. Это позволяет льду сблизить их до критического расстояния, что резко увеличивает риск коалесценции. Исследования показывают, что добавление всего 150 ммоль/кг NaCl может повысить степень дестабилизации эмульсии с 14% до 48%.

2.2. Состав и природа эмульгатора

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это главный барьер на пути слияния капель. Белковые эмульгаторы, как правило, лучше защищают эмульсию от замораживания, чем низкомолекулярные ПАВ. Предположительно, это связано с тем, что белки образуют более толстый и прочный стерический слой на границе раздела фаз, который способен выдержать давление кристаллов льда. Замерзание водной фазы меняет окружение белка на поверхности капли. Это может привести к его частичной денатурации, изменению количества адсорбированного белка и, как следствие, к потере защитных свойств.

2.3. Модифицированный крахмал как альтернатива

Особый интерес представляют модифицированные крахмалы, например, крахмал натрия октенильный сукцинат Е1450 из нашего ассортимента.

Введение в молекулу крахмала гидрофобных (алкенильных) групп делает ее поверхностно-активной. Благодаря своему полимерному строению, такой крахмал способен образовывать прочные стабилизирующие пленки на границе раздела фаз. Он не только стабилизирует эмульсию, предотвращая расслоение и слипание капель, но и улучшает текстуру продуктов, а также положительно влияет на кристаллизацию жиров, продлевая срок годности.

Добиться увеличения описанного эффекта в готовом продукте позволяет наша новая стабилизирующая система GEA GRASSO 30, в составе которой эмульгирующий крахмал. Это отличное решение для низкожирных майонезов и соусов - благодаря своим свойствам, GEA GRASSO 30 придает текстуру, свойственную продукту, без дополнительных рецептурных ингредиентов.

Выводы

Процесс замораживания и последующего оттаивания является серьезным испытанием для пищевых эмульсий, даже тех, что стабилизированы белками. Дестабилизация вызывается двумя основными факторами:

1. Концентрирование растворенных веществ: незамерзшая водная фаза превращается в высококонцентрированный раствор сахаров и солей. Это изменяет химическую среду вокруг капель, приводит к дегидратации и изменению структуры эмульгаторов, а также экранирует силы электростатического отталкивания между каплями.
2. Механическое давление льда: образование льда уменьшает объем жидкой фазы, вынуждая капли масла сближаться до критических расстояний и подвергаться давлению со стороны расширяющихся кристаллов.

Устойчивость эмульсии определяется сложным взаимодействием этих факторов. Стабильность зависит от типа и концентрации растворенных веществ (сахаров и солей) и, в решающей степени, от природы эмульгатора. Использование белков или специальных модифицированных крахмалов может значительно повысить сопротивляемость продукта разрушению при замораживании. Понимание этих механизмов открывает путь к созданию новых, более стабильных замороженных продуктов с высокими потребительскими свойствами.

• Телеграмм
• Вконтакте

С уважением,
Команда «GEA Ingredients»