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聚甘油脂肪酸酯在食品工业中的应用

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-07-31 16:27
     
      民以食为天,生命的存在与延续离不开食物。随着社会的发展,食品工业已成为现代工业中的重要组成部分。食品添加剂是“为改善食品品质和色、香、味以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质”。食品添加剂在食品工业中起到重要的作用,其功能可分为以下几方面:1)改善或提高食品色、香、味及口感等指标;2)保持和提高食品的营养价值;3)防止食品腐败变质和延长保质期;4)增加食品的品种,提高食品的质量和档次;5)改进食品加工条件;5)满足不同人群的需要,调整营养结构等。
     我国GB2760-2014批准使用的食品添加剂达到2000余种,按照功能分成酸度调节剂、抗结剂、食品乳化剂等22类。乳化剂是食品添加剂中重要的一类,在食品加工中起到举足轻重的作用,不仅能够提高食品质量,延长保质期,还能起到改善食品的感官,使得食品便于保鲜加工。

1.食品中各种成分与乳化剂的作用

   食品乳化剂在食品中不仅起到表面活性剂的作用,还会和食品中的糖类、脂肪、蛋白质等组分发生独特的相互作用。

1.1乳化剂与食品中糖类成分作用

      糖类(碳水化合物),包括单糖,双糖,低聚糖,多糖等,普遍存在于各种食品中。糖类与乳化剂发生作用主要是通过疏水作用和氢键作用。其中,单糖和低聚糖水溶性好,无疏水层,因此不与乳化剂发生疏水作用。
     淀粉属多糖类,在食品工业中占有极其重要的地位。乳化剂通过以下方式与直链淀粉发生作用:直链淀粉在水中会形成内部有疏水作用的a-螺旋结构,乳化剂分子中的疏水部分进入螺旋内,并通过疏水键与淀粉结合起来,形成复合物或络合物。这种不溶性复合物不能再重新结晶而发生老化,从而保持食品的松软组织结构,达到延长货架期的作用。

1.2乳化剂与食品中脂肪成分作用

     油脂在食品中也极为常见。在水存在的情况下,乳化剂会使油脂和水形成乳状液。在无水条件下,由于油脂预处理关系,会形成多晶现象。不同晶型会影响食品的感官。因此,在食品加工中加入具有变晶性的乳化剂,能够延缓晶型变化,有利于保持食品性能所需要的晶型。

1.3乳化剂与食品中蛋白质成分作用

     蛋白质是不同的氨基酸按照特定的连接方式组成的聚合物分子,是食品的重要成分。他的结构特征能够影响与乳化剂的相互作用和结合程度。固定在多肽链上的氨基酸侧链通过疏水相互作用、氢键作用、静电作用等形式,与乳化剂发生相互作用。具体的结合方式与氨基酸侧链的极性,乳化剂种类以及电荷和体系的pH值等因素均有关。在有水存在时,氨基酸侧链与乳化剂的疏水基团产生疏水作用,乳化剂的疏水部分固定于蛋白质上,亲水部分结合在粒子表面,形成脂肪。极性侧链不带电荷的蛋白质与乳化剂分子中亲水部分以氢键形式发生作用,此时乳化剂的烃链结合在粒子表面。侧链带电荷的蛋白质与带相反电荷的乳化剂产生静电相互作用。
     需要指出的是,食品中同时存在油脂,蛋白质,碳水化合物及其他各种成分,各成分之间相互作用,相互影响。我们应结合实际情况,找出起主要作用的乳化作用形式,并以此为依据,选出合适的乳化剂。

2.聚甘油脂肪酸酯的特殊功能

    聚甘油脂肪酸酯(聚甘油酯)是由脂肪酸和聚甘油反应得到,原料源自天然可再生资源,可生物降解,由于其优异的乳化、泡沫、结晶调节能作用,广泛应用于食品、医药、化妆品等领域,在食品乳化剂中在占有重要地位。通过不同聚合度的聚甘油与不同的脂肪酸以不同的摩尔比进行反应可以构筑结构多样、性质各异的聚甘油酯产品,可满足不同需求。
文献中报道,二聚甘油脂肪酸酯在60℃时,8天后酸值没有增大。90℃和120℃,酸值变化也很小。如其他脂肪酸酯一样,聚甘油酯在酸性、碱性和分解酶作用下分解,分解成聚甘油和脂肪酸(盐)。聚甘油酯的非催化水解与温度和时间有关,水解很慢。聚甘油酯的水解敏感性是小的,可以在水体系中使用,也可以在较高温度下使用。

2.1乳化作用

    HLB值≥7的聚甘油酯可用作O/W乳化剂,在中性条件下,乳化性能优于单甘脂,丙二醇酯,与蔗糖酯相似;但是,在酸性条件下,尤其是pH 3.5-5时,乳化性和稳定性优于蔗糖酯。HLB值≤6的聚甘油酯可用作W/O乳化剂,较其他类型乳化剂,稳定性、耐热性更好。另外,大量研究证实聚甘油蓖麻醇酸酯是一种比较特殊的聚甘油酯,可应用于W/O/W多重乳化体系中。

2.2充气作用

     聚甘油酯没有多晶型现象,而形成介晶相,具有其他乳化剂少有的优良的起泡和稳泡性能,单独或与其他乳化剂,特别是a-晶型倾向的乳化剂复合使用,能够在食品加工中产生独特的气泡结构,起到充气作用,在烘焙食品中极具应用价值。

2.3结晶调节作用

     聚甘油酯具有促进结晶形成和抑制结晶形成的双重作用。亲油性的聚甘油酯,尤其是长链饱和脂肪酸系列的聚甘油酯,能够显著抑制结晶,如十聚甘油十硬脂酸酯(十二个羟基有十个被酯化),具有抑制结晶形成效果。亲水性的聚甘油酯具有促进结晶的作用,如六聚甘油五硬脂酸酯(八个羟基有五个酯化),具有促进结晶的效果。基于上述理论,选择不同的聚甘油酯能够调节油脂结晶的速率,使得结晶细腻,不产生大块结晶,从而提高外观及油脂类产品的质量。

2.4黏度调节作用

    聚甘油蓖麻醇酸酯可以提高巧克力制作过程中各组分的分散性,进而形成平滑的组织结构,降低产品加工过程中的黏度,其效果优于磷脂。此外,在一些含蛋白质O/W型乳液中,添加少量聚甘油酯能有效降低乳液的黏度。

2.5抑菌保鲜作用

     日本学者做了大量的研究,发现聚甘油酯对多种菌有抑制作用,且抗菌性能受不同聚合度以及脂肪酸残基的不同而变化,如当脂肪酸碳链为8-12时,聚甘油酯对枯草杆菌、霉菌具有较强的抗菌作用,如三聚甘油辛酸酯对枯草菌具有较强的杀菌效果。
另外,十聚甘油的硬脂酸酯和十聚甘油的棕榈酸酯对嗜热脂肪芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、耐热性芽孢杆菌具有抗菌作用。

2.6品质改良作用

     淀粉类产品中,添加适量聚甘油酯,可以在面筋和淀粉之间形成光滑薄层,调整面团结构,防止老化,可改善面团的气孔率,获得细密的气孔和均匀的组织结构。

3.聚甘油脂肪酸酯在食品工业中的应用

3.1在乳及乳制品中的应用

3.1.1在奶油中的应用

     人造奶油为W/O型乳状液,主要用亲油性乳化剂。聚甘油酯不仅能够使得油脂和水分散的更加均匀,防止油水分离,调整人造奶油的组织结构,改善产品性状、口感和风味,还能够延长产品的保鲜期。有关研究表明,在人造奶油的生产中,添加量0.2%的聚甘油酯和添加量0.4%的单甘酯效果相当,说明聚甘油酯的乳化性能更优,同时它还能改善餐用奶油的涂抹性、流动性和可塑性。
     此外,在制造低热量人造奶油、液体人造奶油,可塑性黄油过程中,聚甘油酯还可作为结晶抑制剂使用。
     起酥用人造奶油用于制造各种酥皮点心,主要具有可塑性,延伸性,能够使酥皮高点具有片状结构和较大的体积。可采用如下乳化剂:1%甘油单酸酯和聚甘油脂肪酸酯加0.8%大豆卵磷脂,或1%蒸馏甘油单酸酯加0.8%大豆卵磷脂。
     发泡稀奶油,俗称掼奶油,属于O/W型乳状液,主要使用亲水型乳化剂。单独使用高HLB值的聚甘油酯或与大豆磷酯、单甘酯等复配,均可改善掼奶油的乳化稳定性,起泡性和保型性。
     起酥油用在烘焙食品生产中,以改善通气性,加强乳化,提高内部质量,增大比体积,延长货架时间,一般选择合适的聚甘油酯和单硬脂酸甘油酯,聚山梨醇酯复合使用。

3.1.2在冰激凌中的应用

     冰激凌是一种泡沫体,空气以微小气泡的形式分布于凝冻的连续相,微小气泡由一种膜保护,需要乳化剂参与稳定。冰淇淋属于O/W型乳状液,主要使用亲水型乳化剂。目前,在冰淇淋中使用的聚甘油酯大都是聚甘油硬脂酸酯系列,单独使用或与山梨糖酐酯等配合使用,通过改进脂肪在混合料中的分散性,促进脂肪与蛋白质的相互作用,控制冻结过程中脂肪的附聚与凝聚,促进空气均匀混合,可明显改善产品的膨胀率,从而使产品有组织细腻滑爽、体积增大、质地干燥疏松、保形性好和耐贮藏等优点。
     研究表明,聚甘油酯在用量仅为单甘酯1/3时,即可达到相同乳化效果,而在减半的情况下,外观、口感、膨胀率、耐热性和保形性等都优于单甘酯。司盘60与聚甘油酯合理复配,可将HLB值调整到8-10,可减少乳化剂用量20%-40%,提高分散性和乳化能力,改善其发泡性和稳泡性能,改善冰激凌组织结构,提高冰激凌的膨胀率和抗融性。
     专利US3800036中,报道了一种基本不含脂肪的冰激凌,如:三聚甘油单硬脂酸酯(Durkreme 310)8g与8g水混合过夜,然后加入184.9g脱脂乳,184.9g糖,瓜尔胶2.0g,鹿角菜胶0.5g,聚山梨醇酯(tween80)0.3g,然后加水到1000g。将该混合物在74℃下巴斯杀菌20s,加入1.9g色素和香料,然后混合物通入均质机中,然后装入到冰激凌冰柜中,得到基本不含脂肪的冰激凌。
      专利CN1867264将聚甘油酯(PGE55,Danisco)应用于冰激凌中,配方举例:蔗糖12,刺槐豆胶0.35,卡拉胶0.02,葡萄糖浆42DE 8,PGE55 1,葵花籽油7.5(其中油水比例约为65:35),调味剂0.1,着色剂0.05,去离子水70.98。步骤为:将干配料溶解到60-70℃水中,然后加入油体,来制备混合料。将混合料加热到80℃,用均质机使混合料混合均匀,然后在80℃进行巴氏杀毒。然后将混合料放到冷藏室中,使其冷却到4℃。通过搅拌机进行充气,不到3分钟,就能达到100%的膨胀率,然后将混合料倒入磨具中,于-18℃下冻结。

3.2在烘焙食品中的应用

     烘焙食品,是指以谷物为主原料,采用烘烤工艺定型、熟制的一大类食品,主要包括面包、蛋糕、饼干、各种松饼、点心,馅饼等。
     在烘焙类食品制作过程中,使用聚甘油酯可以使配方中的油脂、水、糖在面团中分散得更均匀,改善食品的品质,显著提高食品的感官指标。在制作饼干过程中,添加少量的聚甘油酯,就可以使脂肪与物料完全乳化和分散,提高油酥效果及饼干的脆性和口感;Garti等研究发现,聚甘油脂肪酸酯可以增加面包的体积,而且添加聚甘油月桂酸酯,比聚甘油硬脂酸酯和聚甘油油酸酯更多地增加了面包的体积。Miyamoto等研究了6种不同碳链长度的十聚甘油单脂肪酸酯对面团性质和烘焙的影响。与脂肪酸单甘酯相比,添加十聚甘油单脂肪酸酯显著提高了发酵面团的气体保持能力和面包的体积,但是这种效果随着碳链长度增加而减弱。通过显微镜观察发酵面团发现,添加十聚甘油单脂肪酸酯后面筋基质变厚,并且大部分淀粉颗粒被面筋基质充分覆盖。结果表明,十聚甘油单脂肪酸酯可作为生面团调理剂,促进面筋的形成,并且可作为柔软剂防止面包变得紧实。
      另外,在烘焙食品工业中广泛使用的商品“蛋糕油”,是蛋糕的理想起泡剂。为了销售和贮存过程中保持乳化剂a-晶型结构不变,以活性状态存在。往蔗糖脂肪酸酯,聚甘油酯,单甘酯中加入丙二醇或山梨醇等以稳定a-晶型状态。为了使用更加便捷,粉末蛋糕油应运而生。方万新等以粳米淀粉为载体(占总量的70%),与自制的聚甘油脂肪酸酯1.6份、单甘脂0.8份、蔗糖酯0.4份、硬脂酰乳酸钠0.55份、羧甲基纤维素钠0.18份,经过螺杆挤出机,得到粉末乳化剂。研究发现,该乳化剂和传统方法制备的蛋糕油具有相同的效果,但使用更加方便。。

3.3在饮料中的应用

       在中性饮料中,常见的单体乳化剂如单硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯、聚甘油酯等均能使用,但乳化效果存在明显差异。在酸性体系中,聚甘油酯使用较多。
植物蛋白饮料,由于含有较高的蛋白质及脂肪,稳定性欠佳。随着贮存期的延长,油脂和蛋白质比较容易凝集成白色固体浮于表面,严重影响其外观,以及产品的可接受性。研究发现,聚甘油酯具有降低蛋白质平衡表面浓度的作用,适度的蛋白浓度能减少蛋白质的聚集,达到改善产品稳定性的目的。在诸多蛋白饮料配方的研究中,采用聚甘油酯与其他乳化剂复配,都能达到良好的乳化效果。另外,聚甘油酯应用于酸性饮料中,在粉末冲调饮品中,可作为分散剂和润湿剂,改进奶粉、可可粉和速溶咖啡等粉状食品的亲水性和分散性,以防止结块、结团或者油脂渗出。
       由于聚甘油蓖麻醇酸酯(PGPR)长的亲水性聚甘油链及其出色的水结合能力,使得PGPR是食品中最强大的油包水型乳化剂之一。文献中报道,即使在很高的含水量(例如80%)配方中,也能形成非常稳定的乳液。

3.4在巧克力和糖果中的应用

      在巧克力及巧克力制品生产过程中,添加少量的PGPR,不仅能降低体系黏度,减少可可脂的用量从而降低成本,还可以使结晶细致均一,改善食品的光泽度、硬脆性和光泽保持性。某些情况下,PGPR还可以延缓巧克力晶型衍变和阻抑油脂迁移,抑制巧克力起霜。例如,在含油脂为45%的牛奶巧克力中,添加0.3%的PGPR,黏度降低43%,效果几乎为大豆磷脂的两倍。据研究,在可可脂中加入1%聚甘油酯(Aromatics UK Ltd)还可起到防止巧克力起霜的作用。
      油脂含量较高的糖果,如奶糖、奶油糖、高级夹心糖等产品必须使用乳化剂。乳化剂主要作用是使得组成糖果的糖类、油脂、水等混合均匀乳化,形成高度稳定的均一乳化液,防止各种物料在贮存过程中发生分离或析出。在生产奶糖和含脂量较高的硬糖的过程中,添加少量的聚甘油酯可以有效抑制糖体环境水分的吸收,从而提高糖制品耐潮性及防止制品粘附和变形;聚甘油酯还可用作口香糖软化剂,改善其混炼性能,降低混炼温度,缩短混炼时间,使糖内部结构均匀、质地细腻,提高口感风味。
     在制糖工序中,糖汁内的表面活性物质易与气体混合产生大量的气泡,阻碍了生产的作业效率和效果。聚甘油酯在制糖工艺过程中可降低物料黏度并有效抑制泡沫,已被卫生部批准作为食品用加工助剂用于制糖工艺。研究表明,特定的聚甘油酯即使添加在高温的蒸发工段(可达130℃)中,也依然可以发挥良好的消泡(抑泡)功能,如甜菜糖生产中使可缩短煮糖时间17.2%,甘蔗糖生产中使用可缩短煮糖时间21.9%。

3.5在油脂结晶控制方面的应用

     油脂普遍存在同质多晶现象,不同的同质多晶体具有不同的性质,合适的同质多晶体对于油脂加工来说非常重要。
      聚甘油脂肪酸酯结构丰富,不同的聚甘油脂肪酸酯对于油脂结晶调节作用不尽相同。日本研究学家发现,十聚甘油十山嵛酸酯(HLB值为2.3)和十聚甘油七山嵛酸酯(HLB值为4.3)对棕榈油结晶的影响,结果表明添加1%的聚甘油山嵛酸酯的棕榈油晶体较小,而晶体数量大于没有添加聚甘油脂肪酸酯的棕榈油晶体的数量,表明聚甘油山嵛酸酯可以促进棕榈油晶核的形成,但是抑制晶体的生长。另外的研究发现,聚甘油混合脂肪酸酯(PGEmix-8,HLB值为1.6)对棕榈油的结晶有显著的影响,而且效果随着聚甘油脂肪酸酯的添加量变化而变化。当PGEmix-8 添加量为0.1%-0.5%(质量分数)时,对于棕榈油晶核的形成没有显著的影响,但是对晶体的生长速率有明显的抑制作用。当PGEmix-8 添加量为 0.7%(质量分数)时,对棕榈油晶核的形成具有明显的促进效果。日本学者在这方面的研究比较多。

3.6其他应用

     聚甘油酯具有一定的抗菌性,可抑制多种微生物(如革兰氏阳性菌、枯草芽孢杆菌等)的生长。在低温下制造鱼肉与畜肉的加工食品时,聚甘油酯可提高其糖性,使口感细腻;在午餐肉罐头中使用可使切面光滑,富有弹性;亲水性的聚甘油酯可提高卤水豆腐的凝固质量。在酸性水果果冻类产品中,可以防止产品水离析现象的发生;也可用在调味料、着色料方面等。
     聚甘油酯还可做为食品的着色助剂,如可把水溶性色素将油进行热稳定着色或将染料变为亲油性。
     此外,聚甘油酯还可作为水果、蔬菜的被膜剂,起到保鲜的效果。