Гуммиарабик (аравийская камедь) – INS 414 – это полисахарид, в состав которого входят D-галактоза, L-арабиноза и D-глюкуроновая кислота. Гуммиарабик выделяется только двумя видами африканской акации: Acacia Senegal и Acacia seual. Существуют химические различия между этими двумя типами камедей из рода Acacia, которыми и обусловлены их различные свойства. Гуммиарабик из акации сенегальской имеет большую молекулярную массу, высокоразветвленную химическую структуру. Водные растворы этой камеди не обладают высокой вязкостью при концентрации менее 30%.
Ограничений по применению гуммиарабика в пищевых целях нет. Экспертный комитет по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ не установил ДСП.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
Гуммиарабик известен с древних времен. Он применялся египтянами для бальзамирования мумий, а также при приготовлении красок для иероглифических надписей. Традиционно камедь получали в основном из вида Acacia Senegal. Деревья растут в Африке, в районе Сахели, находящемся к северу от экватора по направлению к пустыне Сахара, а также на территории от Сенегала на западе до Сомали на востоке. Смола сочится из стволов и ветвей деревьев (обычно достигших 5 лет или старше) при воздействии на них каких-либо неблагоприятных условий: засухи, плохой почвы или нанесения повреждений. Образование смолы можно стимулировать «постукиванием», которое заключается в удалении частей коры дерева при помощи топора, без причинения при этом ущерба самому дереву. Липкая смола высыхает на ветвях дерева и образует твердые капли, которые собираются вручную и сортируются по цвету и размеру. В Судане смолу, полученную из Acacia Senegal и из seyal, называют hashab и talha соответственно. Смола hashab является бледной или оранжево-коричневой твердой массой, которая раскалывается с блестящим изломом. Смола talha – более темного цвета, более хрупка.
Некоторые типичные коммерческие сорта суданской смолы приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Сорта суданской камеди
Судан традиционно считается основным производителем гуммиарабика, поставки которого составляют 20 000 т в год. Другими важными производителями являются Нигерия и Чад, которые суммарно экспортируют около 10 000 т в год. Общее производство гуммиарабика в настоящее время оценивается в 40 000–50 000 т в год.
Крупнейшим рынком для гуммиарабика является Европа; ежегодный импорт в последнее десятилетие составил в среднем около 35 ООО т. Главные импортеры – Франция и Великобритания.
2.2.1. КРАТКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ГУММИАРАБИКА
Начальной стадией производства гуммиарабика является механическое измельчение (дробление), при котором капы смолы дробятся до частиц определенных размеров. Одним из преимуществ измельченной камеди является скорость ее растворения в воде, намного превышающая скорость растворения неизмельченной. Гуммиарабик производится также путем распылительной и вальцовой сушки водного раствора камеди. При этом необходимо поддерживать минимальную температуру, чтобы не произошло денатурации камеди, что может отрицательно сказаться на ее функциональных свойствах. После удаления нерастворимых веществ фильтрованием или декантированием раствор пастеризуют, а затем высушивают либо распылением, либо вальцеванием. В процессе распылительной сушки раствор распыляется в потоке горячего воздуха. Вода быстро испаряется, а сухой порошок, обычно со средним размером частиц 50–100 мкм, отделяется от потока воздуха с помощью циклона. При вальцовой сушке он направляется на обогреваемые паром валки. Толщина пленки камеди регулируется изменением расстояния между валками. Затем пленку срезают с валка с помощью ножа и получают похожие на хлопья частицы размером в несколько сотен микрометров. Образцы, полученные распылительной или вальцовой сушкой, по качеству превосходят измельченную исходную (естественную) камедь.
2.2.2. СТРУКТУРА ГУММИАРАБИКА
Камеди из акаций видов Acacia Senegal и Acacia seyal являются сложными полисахаридами, содержащими небольшое количество азотистых веществ, не удаляемых очисткой. Их химический состав, несколько варьирующий в зависимости от природного источника, климата, времени года, возраста дерева и т.д., представлен в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Состав и свойства камедей из Acacia Senegal и Acacia seyal
Обе камеди состоят из одних и тех же углеводных остатков, однако камедь акации вида A. seyal содержит меньшее количество рамнозы и глюкуроновой кислоты и большее количество арабинозы и 4-О-метилглюкуроновой кислоты по сравнению с камедью акации вида A. Senegal. Помимо этого, камедь A. seyal значительно отличается от камеди акации A. Senegal по удельному вращению.
Состав аминокислот, основными в котором являются гидроксипролин и серин, приблизительно одинаков (табл. 2.3).
Таблица 2.3
Аминокислотный состав камедей из Acacia Senegal и Acacia seyal (остатков аминокислоты/1000 остатков)
Обе камеди обладают сложным, но схожим молекулярно-массовым распределением, однако средняя молекулярная масса камеди из A. seyal выше средней молекулярной массы камеди из A. Senegal.
В большей степени исследована структура камеди из A. Senegal. Углеводный анализ показал, что молекулы этой камеди имеют сильноразветвленную структуру, содержащую внутреннюю цепь из остатков (β-(1→3) – связанной D-галактозы с частыми ответвлениями, присоединенными к ней посредством остатков 3- и 6-связанной галактозы и 3-связанной арабинозы. Рамноза и глюкуроновая кислота располагаются в периферических частях молекул в виде концевых остатков (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Возможная структура углеродного компонента камеди Acacia Senegal:
А – арабинозил; черные кружки – остаток 3-связанной галактозы (присоединенная галактоза);
белые кружки – остаток 6-связанной галактозы (галактоза или глюкуроновая кислота,
присоединенная или являющиеся концевой группой); R – рамноза-глюкуроновая кислота;
R2 – галактоза-3- арабиноза; R3 – арабиноза-З-арабиноза-З-арабиноза
2.2.3. СВОЙСТВА ГУММИАРАБИКА
Гуммиарабик легко растворяется в воде и образует прозрачные растворы с рН приблизительно 4,5, цвет которых варьируется от бледножелтого до оранжево-коричневого.
Еще одним важным функциональным свойством гуммиарабика является его эмульгирующая способность по отношению к эфирным маслам и ароматизаторам. Известно, что обогащенная белком высокомолекулярная фракция гуммиарабика адсорбируется на поверхности масляных капель. Предполагается, что адсорбируются и закрепляют молекулу гуммиарабика на поверхности капель ее гидрофобные полипептидные цепи, тогда как углеводные блоки молекулы препятствуют флокуляции и коалесценции капель за счет сил электростатического и стерического отталкиваний. Схематично это показано на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Схематичное изображение стабилизации масляных капель с помощью молекул гуммиарабика
Поскольку в процесс образования эмульсии вовлечена только часть камеди, ее концентрация, необходимая для образования эмульсии, намного выше, чем в случае использования чистых белков. Например, для получения 20%-ной эмульсии апельсинового масла требуется концентрация гуммиарабика, соответствующая приблизительно 12%. Полученная при таких условиях эмульсия в течение нескольких месяцев может сохранять свою стабильность без видимых признаков коалесценции.
При длительном нагревании растворов гуммиарабика происходит осаждение белковых веществ, что, в свою очередь, отражается на эмульгирующей способности этой камеди.
2.2.4. ПРИМЕНЕНИЕ ГУММИАРАБИКА
Основной отраслью, в которой применяется гуммиарабик, является кондитерская промышленность, где он используется при изготовлении целого ряда продуктов: жевательных резинок, пастилы, зефира, суфле и ириса.
В процессе изготовления продукта камедь растворяется в воде, в которой поддерживается низкая, насколько это возможно, температура (-60°С), чтобы избежать выпадения в осадок белковых веществ и помутнения раствора. Затем раствор камеди вводят в заранее сваренный 70%-ный раствор сахара/глюкозы с последующим добавлением ароматизаторов и красителей. Чтобы пузырьки воздуха поднялись на поверхность, раствор выдерживают, удаляют образовавшуюся пену и распределяют жидкость по крахмальным лоткам, которые помещают в сушильную камеру на 4-6 дней. Затем камедь вынимают из форм, очищают от крахмала и, как правило, смазывают маслом или воском.
Более мягкие жевательную резинку или пастилу можно получить, если снизить продолжительность выдержки в сушильной камере до 2-3 дней.
В последнее время в связи с колебаниями цен и недостатком камеди было предпринято много попыток найти замену гуммиарабику. Поэтому в настоящее время пастилу чаще изготавливают с использованием гуммиарабика в значительно меньшей концентрации, комбинируя его с другими гидроколлоидами, например с крахмалом, мальтодекстрином, желатином, пектином и агаром. В таких рецептурах из-за несовместимости между разными гидроколлоидами может происходить расслоение изделия. Степень расслоения зависит от скорости гелеобразования, на которую влияют другие присутствующие гидроколлоиды, что в конечном итоге отражается на текстуре готового продукта.
При изготовлении зефира камедь используют в качестве стабилизатора пены, тогда как в ирисной массе он выступает в роли эмульгатора присутствующих жиров.
Гуммиарабик стабилен в кислой среде и поэтому широко используется в качестве эмульгатора при производстве концентрированных эфирных масел с ароматом лимона и колы, предназначенных для применения в безалкогольных напитках. Камедь может препятствовать флокуляции и коалесценции масляных капель в течение нескольких месяцев, и, более того, эмульсии остаются стабильными больше года после предшествующего розливу разбавления приблизительно в 500 раз сладкой газированной водой.
При приготовлении эмульсии к маслу обычно добавляется более тяжелый агент для повышения плотности до уровня совпадения с плотностью готового напитка и, таким образом, подавления процесса отделения масла. Обычно в качестве таких агентов используются требующие декларирования в разных частях света глицериновый эфир древесной целлюлозы, смола даммара и ацетатизобутират сахарозы. Последний обычно используется не отдельно, а в комбинации с канифолью или даммаровой смолой. Эмульсия изготавливается путем добавления масла в раствор гуммиарабика при высокоинтенсивном перемешивании с последующей гомогенизацией, которая приводит к образованию капель размером приблизительно 1 мкм. Обычный состав может включать 20% гуммиарабика, 10% эфирного масла и 5% агента, повышающего плотность, в то время как готовый напиток может содержать 0,1-0,2% концентрированной эмульсии, 10% сахара и 0,2% лимонной кислоты/красителя.
Для превращения пищевых вкусоароматических веществ из состояния летучих жидкостей в форму сыпучих порошков широко используется микроинкапсулирование. Порошки можно легко ввести в состав сухих пищевых продуктов, таких как супы и различные десертные смеси. Такой процесс делает также вкусоароматическое вещество устойчивым к окислению.
Инкапсулирование проводят путем распылительной сушки эмульсии эфирного масла, которая изготавливается с использованием гуммиарабика в качестве эмульгатора. Обычно при распылительной сушке образуются частицы размерами от 10 до 200 мкм. При этом сохранение летучего вещества, составляющего в норме более 80%, зависит от набора переменных величин, к которым относятся температура на входе распылителя, концентрация эмульсии, вязкость и пропорциональное соотношение гуммиарабика и мальтодекстрина, вносимого с целью снижения стоимости целевого продукта.
