Napoje bezalkoholowe o smaku owocowym i zmętnieniu

Transkrypt

1 Emulsje w napojach bezalkoholowych ELŻBIETA DŁUŻEWSKA, ANDRZEJ GASIK Napoje bezalkoholowe o smaku owocowym i zmętnieniu typowym dla naturalnych soków otrzymuje się z emulsji substancji aromatycznych. Emulsje aromatów (napojowe) są emulsjami typu olej w wodzie [43]. Produkowane są w formie skoncentrowanej, a następnie rozcieńczane w roztworze cukru lub innej substancji słodzącej w celu otrzymania napoju [1, 2]. Emulsje napojowe stanowią specyficzną grupę emulsji żywnościowych, ponieważ muszą być stabilne zarówno w formie skoncentrowanej, jak i rozcieńczonej. W bardzo małych ilościach (0,05-0,2%) są dodawane do napojów podczas ich produkcji, dlatego o przydatności technologicznej tych emulsji decyduje ich wysoka stabilność przechowalnicza [44, 45]. Emulsje napojowe nadają smak, zapach, barwę i odpowiednie zmętnienie napojom bezalkoholowym [3, 4]. Typowymi składnikami emulsji napojowych są substancje aromatyczne i czynniki obciążające stanowiące fazę olejową oraz woda, hydrokoloidy, kwasy spożywcze, barwniki, konserwanty stanowiące fazę wodną [7]. Faza olejowa emulsji Substancje aromatyczne naturalne i identyczne z naturalnymi są podstawowymi i niezbędnymi składnikami napojów bezalkoholowych. Większość dodawanych aromatów to olejki eteryczne, zwłaszcza cytrusowe [26]. Olejki cytrusowe zawierają głównie węglowodorowe terpeny (monoterpeny i seskwiterpeny), które charakteryzują się słabo wyczuwalnym zapachem i smakiem. Właściwy profil zapachowy olejkom eterycznym nadają utlenione terpenoidy, np. alkohole, ketony, kwasy i estry. Olejki cytrusowe mogą być pozbawione terpenów przez ekstrakcję roztworami wodno-alkoholowymi lub na drodze destylacji pod obniżonym ciśnieniem [39, 44]. Emulsje napojowe są układami termodynamicznie niestabilnymi, wykazującymi tendencję do samorzutnego rozdzielania się faz [18, 19]. Widocznym skutkiem destabilizacji rozcieńczonej emulsji jest śmietankowanie, nazywane również obrączkowaniem, ponieważ krople oleju zawierające substancje smakowo-zapachowe zbierają się wokół szyjki Streszczenie. Wśród gazowanych i niegazowanych napojów można wyróżnić napoje mętne, otrzymane przez rozcieńczenie w roztworze cukru emulsji aromatów. Napojom bezalkoholowym emulsje nadają zapach i smak, barwę oraz odpowiednie zmętnienie. Stabilność emulsji napojowych zarówno w formie skoncentrowanej, jak i rozcieńczonej jest problemem technologicznym występującym w przemyśle napojów bezalkoholowych. W artykule omówiono typowe składniki emulsji napojowych. Przedstawiono problemy związane z jej stabilnością oraz omówiono proces produkcji emulsji i napojów bezalkoholowych. Summary. Among carbonated and non-carbonated soft drinks the cloud beverages obtained by diluting the flavor emulsion can be distinguished. In soft drinks the flavor emulsion provides flavor, cloudiness and color for the beverage. Stability of beverage emulsions in both the concentrated and diluted forms is the technological problem in soft drinks industry. In the paper, the typical components of flavor emulsions are presented. The problems of beverage emulsion stability as well as the production process of emulsions and soft drinks are discussed. Słowa kluczowe: emulsje napojowe, stabilność emulsji, napoje bezalkoholowe Key words: beverage emulsions, stability of emulsion, soft drinks butelki z napojem w postaci obrączki. Śmietankowanie jest wynikiem separacji grawitacyjnej, flokulacji i koalescencji [1, 28]. Zgodnie z prawem Stokesa śmietankowanie rozcieńczonej emulsji można zmniejszyć przez redukcję wielkości cząstek fazy olejowej, zwiększenie lepkości fazy ciągłej oraz przez zmniejszenie różnic w gęstości faz [10]. Różnice te są znaczne, gdyż gęstość olejków eterycznych stosowanych w produkcji emulsji napojowych wynosi ok. 0,850 g/cm 3, a roztworu cukru, w którym jest rozcieńczana emulsja w celu otrzymania napoju ok. 1,040 g/cm 3 [15, 16]. Dlatego do fazy olejowej emulsji napojowych są wprowadzane czynniki obciążające (weighting agents), mające zwiększyć gęstość fazy olejowej do gęstości fazy ciągłej oraz wodnego roztworu sacharozy, w którym jest rozcieńczana emulsja [19, 30]. Czynnikami obciążającymi mogą być substancje rozpuszczalne w oleju, o neutralnym smaku, charakteryzujące się gęstością wyższą niż gęstość aromatu [6, 16]. Obecnie najczęściej stosowanymi czynnikami obciążającymi są: octan izomaślanu sacharozy (SAIB), guma damara, estryfikowana kalafonia i estryfikowane żywice. Guma damara jest naturalnym wyciekiem otrzymywanym z krzewów Caesalpinaceae i Dipterocarpaceae. SAIB otrzymuje się w wyniku reakcji estryfikacji sacharozy z bezwodnikami kwasu octowego i masłowego, a estry żywic drzewnych w wyniku estryfikacji żywicy glicerolem. Czynnik obciążający jest dodawany do fazy olejowej przed homogenizacją emulsji. Ilość dodatku czynnika zależy od jego gęstości, ale ważne są również przepisy prawne określające zawartość danej substancji w końcowym produkcie [18, 19, 26]. Faza wodna emulsji napojowych Głównym składnikiem fazy ciągłej emulsji napojowych jest woda, której zawartość wynosi zazwyczaj 60-95%. Fizyczna i chemiczna

2 stabilność emulsji napojowych w dużym stopniu zależy od jakości wody. Dlatego woda jest poddawana zabiegom mającym na celu usunięcie substancji mineralnych (powodujących niepożądany smak i zapach), koloidalnych oraz mikroorganizmów [1, 29]. Hydrokoloidy stabilizatory emulsji Ważnymi składnikami fazy wodnej są hydrokoloidy, które pełnią funkcję emulgatorów i stabilizatorów emulsji [2, 4, 7]. Rodzaj i ilość hydrokoloidów dodanych do emulsji napojowych ma istotny wpływ na ich stabilność, z czego wynika konieczność doboru składu recepturowego i parametrów procesu technologicznego z uwzględnieniem rodzaju dodanego hydrokoloidu. Zastosowanie odpowiednio dobranych mieszanin tych substancji pozwala na poprawę stabilności emulsji napojowych zarówno w formie skoncentrowanej, jak i w formie napojów. Przy tworzeniu mieszanin hydrokoloidów są wykorzystywane oddziaływania synergistyczne pomiędzy nimi, np. pomiędzy gumą arabską a gumą tragakantową. Hydrokoloidy pełniące funkcję stabilizatorów emulsji napojowych powinny być rozpuszczalne w zimnej wodzie, tworzyć roztwory o niskiej lepkości, charakteryzować się wysoką zdolnością emulgowania i nie ulegać zagęszczeniu czy żelowaniu w miarę upływu czasu. Hydrokoloidami najczęściej stosowanymi w przemyśle napojów bezalkoholowych są amfifilowe polisacharydy, m.in. guma arabska i modyfikowana skrobia [17, 20, 21, 33]. Guma arabska jest wysuszoną wydzieliną pozyskiwaną z pni i gałęzi drzew Acacia senegal lub Acacia seyal. Jest ona heteropolisacharydem składającym się z trzech frakcji: kompleksu arabinogalaktan białko (AGP), arabinogalaktanu (AG) i glikoproteiny (GP). Za właściwości emulgujące gumy arabskiej jest głównie odpowiedzialny kompleks arabinogalaktanu i białka [11-13, 24, 25]. Guma arabska ma zdolność tworzenia grubego lepkosprężystego filmu wokół kuleczek olejowych i stabilizacji emulsji przez oddziaływania przestrzenne (polymeric steric interaction) oraz elektrostatyczne [14, 35]. Niemniej jednak jej aktywność na powierzchni międzyfazowej jest raczej niska w porównaniu z typowymi emulgatorami białkowymi, co oznacza, że aby uzyskać stabilną emulsję, należy stosować wysoki stosunek gumy do oleju, tj. ok. 1:1 (w emulsjach stabilizowanych białkami 1:10) [31]. Alternatywne biopolimery Problemy związane z uzyskaniem stabilnej jakości preparatów gumy arabskiej skłaniają technologów żywności do poszukiwania

3 alternatywnych biopolimerów, które można by stosować w emulsjach napojowych [8, 19, 27]. Pochodne skrobi, uzyskane na drodze modyfikacji chemicznej (tzw. skrobie lipofilowe) są dobrymi emulgatorami oraz stabilizatorami emulsji i mogą być rozpatrywane jako zamienniki gumy arabskiej w emulsjach napojowych [8, 31]. Oktenylobursztynian skrobi jest rozpuszczalny w zimnej wodzie, ma bardzo słabo wyczuwalny zapach, dobrą odporność na zmiany ph i temperatury oraz może być stosowany w niższych stężeniach niż guma arabska [45]. Skrobia modyfikowana stabilizuje emulsje przez oddziaływania przestrzenne. Przestrzenna stabilizacja emulsji wynika ze wzrostu ciśnienia osmotycznego i wzrostu energii swobodnej w momencie zbliżania się dwóch cząstek fazy rozproszonej, na których powierzchni zaadsorbowane są makrocząsteczki biopolimeru, czego rezultatem jest ich wzajemne odpychanie [30]. Ważną różnicą pomiędzy emulgatorami stabilizującymi emulsje przestrzennie oraz elektrostatycznie jest wrażliwość na ph i siłę jonową. Przestrzenny mechanizm stabilizacji emulsji przebiega niezależnie od ph roztworu oraz obecności w nim elektrolitów [7]. Białka mające właściwości emulgujące są rzadko stosowane jako emulgatory i stabilizatory emulsji napojowych, gdyż są bardziej wrażliwe na zmiany warunków środowiska, tj. ph, siły jonowej i temperatury, niż gumy polisacharydowe [29]. Barwienie emulsji napojowych Barwniki stosowane w produkcji emulsji napojowych w zależności od ich rozpuszczalności wchodzą w skład fazy olejowej (karotenoidy, chlorofile) lub wodnej (antocyjany, chlorofiliny, koszenila, karmel, syntetyczne barwniki organiczne). Ponieważ barwniki karotenoidowe i chlorofilowe są wrażliwe na światło oraz czynniki utleniające, do emulsji i do napojów należy dodawać kwas askorbinowy jako przeciwutleniacz [23]. Kwasu askorbinowego nie wolno jednak dodawać do emulsji czy napojów barwionych barwnikami antocyjanowymi lub organicznymi barwnikami syntetycznymi, gdyż jego obecność powoduje szybki rozkład tych barwników [38]. Stosowane od wielu lat syntetyczne barwniki organiczne (w Polsce obecnie dopuszczonych do barwienia napojów bezalkoholowych jest 12 barwników) skutecznie ograniczyły stosowanie barwników naturalnych czy identycznych z naturalnymi. Pod względem budowy chemicznej są to związki azowe, triarylometanowe, indygoidowe i chinolinowe [32, 34]. Opinia, że są one znacznie stabilniejsze od barwników naturalnych, nie jest prawdziwa. Istnieje wiele czynników wpływających niekorzystnie na ich stabilność. Należy jednak podkreślić, że w przypadku braku czynników destrukcyjnych w środowisku organiczne barwniki syntetyczne znacznie dłużej zachowują odpowiednią barwę napojów niż barwniki naturalne. Ich zaletą jest również to, że: dzięki dużej sile barwienia ich zużycie jest znacznie niższe niż barwników naturalnych, co obniża koszty barwienia, charakteryzują się wysoką czystością barwy, a stosowane w mieszankach stwarzają większe możliwości kolorystyczne. W tabeli przedstawiono wpływ różnych czynników fizykochemicznych na stabilność syntetycznych barwników organicznych stosowanych do barwienia napojów bezalkoholowych.

4 Tabela. Wpływ czynników fizykochemicznych na stabilność syntetycznych barwników organicznych dopuszczonych do barwienia napojów bezalkoholowych [22] (w skali: dla światła od 1 do 8, dla pozostałych czynników od 1 do 6) Nazwa barwnika Symbol E Światło Ogrzewanie 100 C Tartrazyna Żółcień chinolinowa Żółcień pomarańczowa S Azorubina (karmoizyna) Czerwień koszenilowa Czerwień Allura AC b Błękit patentowy V a a Indygotyna Błękit brylantowy FCF Zieleń S Czerń brylantowa BN Brąz HT a Niektóre źródła podają 4. b niektóre źródła podają 2. Dla światła: 1 niska stabilność, 8 wysoka stabilność; dla pozostałych czynników: 1 niska stabilność, 6 wysoka stabilność. Dane zawarte w tabeli należy traktować jako wskazówkę co do odporności barwników na poszczególne czynniki. W produkcie barwnik jest narażony na działanie wielu czynników, co może zmieniać jego odporność na czynniki jednostkowe. Również stabilność barwników zależy od ich stężenia. Produkcja emulsji i napojów 200 C Kwasy owocowe Produkcja emulsji napojowych odbywa się zazwyczaj w dwóch etapach. W pierwszym etapie produkcji otrzymuje się skondensowaną Zasady Kwas benzoesowy Dwutlenek siarki Kwas askorbinowy emulsję zawierającą 10-30% fazy olejowej, która następnie jest rozcieńczana razy w celu otrzymania napoju [1, 44]. Emulsje są przechowywane i transportowane w formie skoncentrowanej, co umożliwia obniżenie kosztów produkcji przez zmniejszenie ilości wody w produkcie. Skoncentrowane emulsje otrzymuje się przez zdyspergowanie fazy olejowej w fazie wodnej, a następnie uzyskana preemulsja jest homogenizowana w homogenizatorach ciśnieniowych jednolub dwustopniowych. Emulsje przepuszczane są zazwyczaj przez homogenizator więcej niż jeden raz w celu uzyskania na tyle małych kropli olejowych, aby możliwe było wyeliminowanie zjawiska śmietankowania napojów [29, 41]. Emulsje mogą być pasteryzowane lub konserwowane chemicznie, po czym są transportowane do zakładów produkujących napoje [30].

5 można mieć do czynienia z szybkim starzeniem się emulsji (zmiana barwy, zapachu i smaku). Dotyczy to zwłaszcza emulsji barwionych syntetycznymi barwnikami organicznymi, w przypadku których nie można dodawać kwasu askorbinowego, który działa na nie destrukcyjnie [22]. Bardzo niebezpieczne jest przemrożenie emulsji może ono doprowadzić do szybkiego zniszczenia emulsji pod względem fizycznym (koalescencja) [44]. Końcowy produkt jest tworzony w wyniku rozcieńczenia skondensowanej emulsji w fazie wodnej zawierającej substancje słodzące, zakwaszające, konserwujące i barwniki. Stężenie kropel olejowych w napojach zazwyczaj jest mniejsze niż 0,1% [43]. Woda Należy też zapewnić prawidłowe warunki przechowywania emulsji, aby zapobiec niekorzystnym zmianom jakościowym. Emulsje powinny być przechowywane w suchych i zaciemnionych pomieszczeniach w temp. ok C. Przechowywanie w niższej temperaturze (ale nie poniżej 0 C) może doprowadzić do wstępnego śmietankowania, a nawet flokulacji emulsji. Ponadto w przypadku emulsji zawierających syntetyczne barwniki organiczne przechowywanie w zbyt niskiej temperaturze może doprowadzić do częściowego ich wytrącenia. Przechowując natomiast emulsje w temp. powyżej 15 C 4 Woda odpowietrzona 1 Syrop smakowy Woda saturowana Napój CIP Do rozlewarki Woda używana do produkcji napojów na bazie emulsji ma szczególne znaczenie dla zachowania odpowiedniej jakości napojów. Powinna spełniać wymagania przewidziane dla wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. W przypadku produkcji napojów na bazie wody mineralnej powinna spełniać wymagania przewidziane dla tego rodzaju wody. Woda nie powinna być zbyt twarda (twardość ogólna do 12 n). Im niższa twardość wody, tym mniejsze niebezpieczeństwo wystąpienia niekorzystnych zmian jakościowych w napojach, takich jak zmętnienia, osady, tworzenie obwódki (ring) na powierzchni napoju. Przy zbyt dużej twardości wody jony Ca +2 z barwnikami karotenoidowymi mogą tworzyć połączenia sprzyjające fizycznej destabilizacji emulsji. Należy pamiętać o tym, że w zależności od składu ilościowego i jakościowego zawartych w wodzie składników mineralnych, może ona wykazywać różną pojemność buforową. W konsekwencji napoje produkowane z tym samym dodatkiem recepturowym kwasu spożywczego, ale na wodzie pochodzącej z różnych źródeł mogą wykazywać różne ph. W przypadku stosowania barwników, których barwa zależy od ph środowiska, np. antocyjanów, znacznie różnicuje to barwę napojów. Zbyt miękka woda o twardości ogólnej poniżej 4 n jest również nieodpowiednia do produkcji napojów, które mogą charakteryzować się wtedy tzw. pustym smakiem [22]. Napoje są często homogenizowane, a następnie pakowane w butelki, kartony, torebki lub inne opakowania [37, 40]. W produkcji bezalkoholowych napojów gazowanych nie są potrzebne tak duże zbiorniki kupażowe jak w produkcji soków czy nektarów. W przypadku produkcji napojów gazowanych, w zbiornikach kupażowych są sporządzane tylko tzw. syropy smakowe zawierające emulsję napojową, kwas spożywczy, substancje słodzące, konserwanty, przeciwutleniacze i stanowiące bazę do produkcji odpowiedniego napoju bezalkoholowego. Obecnie głównym systemem rozlewu napojów gazowanych jest system Premix. W systemie tym syropy smakowe są rozcieńczane w miksosaturatorach (rys.) wodą wysyconą dwutlenkiem węgla w proporcji zależnej od stężenia składników w syropie (najczęściej od 1:5 do 1:10) i przekazywane bezpośrednio do rozlewu. Stężenie dwutlenku węgla w napojach gazowanych wynosi najczęściej 4-8 g/dm 3 w zależności od typu napoju. Rys. Schemat miksosaturatora [42]: 1 zbiornik odpowietrzania wody, 2 zbiornik nasycania wody dwutlenkiem węgla, 3 zbiornik gotowego napoju, 4 system pomp, 5 urządzenie dozujące 74 Dokończenie na s. 106

6 AROMATY SPOŻYWCZE... EMULSJA W NAPOJACH... (dokończenie ze s. 69) Urządzenia nie satysfakcjonują jeszcze uczonych. Nie wytwarzają bowiem sygnałów dla nas zrozumiałych. Nie ma jeszcze także uniwersalnego języka opisującego zapachy i aromaty. Prowadzone są próby kompilacji detektorów różnego typu. Na przykład skonstruowana przez holenderską firmę Greefa maszyna sortująca rozdziela twarde owoce w zależności od zapachu, kształtu, barwy i masy [14]. Celem dalszych badań jest system detekcji o podobnej czułości i selektywności jak ludzki aparat sensoryczny, identyfikujący jakość, smakowitość i hedonistyczne odczucia. Molekularna biologia klonując proteiny receptorów, indywidualne receptory lub całe organy sensoryczne może stworzyć detektor reagujący tak jak nasze zmysły, opisujący kompleksowo całość bodźców smakowo zapachowych [21]. Takie skomputeryzowane urządzenie otworzy przed chemikami i technologami całkiem nowe perspektywy. Ale zanim do tego dojdzie, ludzie zajmujący się aromatami mają przed sobą jeszcze wiele pracy. Od redakcji: Wykaz literatury prześlemy zainteresowanym Czytelnikom em, faksem lub pocztą. Korespondencję prosimy kierować na adres: przemspozywczy@sigma-not.pl (dokończenie ze s. 74) W miksosaturatorze (rys.) następuje najpierw odpowietrzenie wody (zbiornik 1), co znacznie poprawia proces jej wysycania dwutlenkiem węgla. W zbiorniku tym ciśnienie jest obniżone do ok hpa. Następnie systemem pomp (4) odpowietrzona woda jest przepompowywana do zbiornika (2), w którym następuje jej wysycenie dwutlenkiem węgla. Urządzenie sterujące reguluje automatycznie ciśnienie dwutlenku węgla w zbiorniku saturacyjnym w zależności od temperatury wody. Nasycona woda przepływa następnie do urządzenia dozującego (5), do którego dopływa również syrop smakowy. Po wymieszaniu w odpowiedniej proporcji tych dwóch składników, jednorodny już płyn przekazywany jest do zbiornika gotowego napoju (3). Z tego zbiornika, za pomocą nadciśnienia dwutlenku węgla napój jest przetłaczany do rozlewarki. Celem usprawnienia rozlewu zwłaszcza napojów łatwo pieniących się wskazane jest schłodzenie napoju (wymiennik płytowy) przed przekazaniem go do rozlewarki [42]. Od redakcji: Wykaz literatury prześlemy zainteresowanym Czytelnikom em, faksem lub pocztą. Korespondencję prosimy kierować na adres: przemspozywczy@sigma-not.pl Dr inż. M. Druri Instytut Podstaw Chemii Żywności, Politechnika Łódzka Dr inż. E. Dłużewska, dr inż. A. Gasik Wydział Nauk o Żywności, SGGW, Warszawa 106