Гидроколлоиды

Гидроколло́иды — в пищевой и косметической промышленности — собирательное название природных водорастворимых полимеров, способных в низкой концентрации образовывать стабильные гидрогели. В эту группу входят соединения, добавляемые в жидкие или твердые продукты питания и косметики в процессе их изготовления с целью придания желаемой вязкости и консистенции, а также с целью стабилизации пищевых и косметических дисперсных систем (эмульсий, суспензий и др.). Однако, в отличие от большинства других групп пищевых добавок, роль гидроколлоидов в пищевых системах не сводится только к выполнению упомянутых технологических функций. Многие гидроколлоиды являются физиологически функциональными (полезными для здоровья) ингредиентами, которые могут понижать уровень холестерина в крови, способствовать нормальному функционированию кишечника, проявлять пребиотический эффект или другие позитивные для здоровья человека свойства. Кроме того, благодаря свойствам гидроколлоидов, стало возможным создание низкокалорийных продуктов, сохраняющих органолептические характеристики традиционных аналогов. По химической природе гидроколлоиды представлены двумя видами биополимеров — полисахаридами и белками. Сегодня трудно представить себе рынок продуктов питания без джемов и конфитюров, желе и мармелада, пудингов и муссов, зефира и пастилы, йогуртов и мороженого, многочисленных взбитых десертов, кремов, напитков, соусов, пирогов с фруктовыми начинками и многих, многих других продуктов, ставших традиционными и излюбленными, которые могут быть еще и низкокалорийными, полезными для здоровья.

В пищевой промышленности в качестве пищевых добавок применяются гидроколлоиды как полисахаридной природного происхождения (камеди и агары), модифицированные полисахариды (карбоксиметилцеллюлоза и её соли), так и различные протеины. Применяются в качестве загустителей и желатинизаторов в производстве как кондитерских и молочных (кремы, желе, джемы), так и мясо-колбасных изделий.

Производители любого произвольно взятого гидроколлоида заявляют следующие его свойства: — повышение вязкости; — гелеобразование; — контроль над синерезисом; — стабилизация эмульсий; — стабильность рН; — стабильность при нагревании; — устойчивость к действию солей; — способность к суспензированию; — простота в использовании; — прозрачность; — пленкообразование; — связующие свойства. Термин “гидроколлоиды” охватывает полисахариды и протеины, которые в наши дни широко используются в различных промышленных отраслях, где они выполняют многие полезные функции, а именно: загущение и гелеобразование водных растворов, стабилизация пен, эмульсий и суспензий, замедление и полное предотвращение кристаллизации льда и сахара, регулирование аромата и т.д. Ниже представлены коммерчески важные гидроколлоиды и источники их получения:

Каррагинан, Карраген — семейство линейных сульфатных полисахаридов, получаемых из красных морских водорослей. Название получено от одного из видов таких водорослей, произрастающего около берегов Ирландии. Студенистые экстракты из водоросли Chondrus crispus («ирландский мох») использовались в качестве пищевых добавок в течение сотен лет^[1].

Каррагинан — это природный гелеобразователь, получаемый при переработке красных морских водорослей методом экстракции с последующей очисткой от органических и других примесей — многократным осаждением, фильтрацией и промывкой в воде и спирте.

Молекулы каррагена — большие, очень гибкие, и могут формировать закручивающиеся структуры. Они могут образовывать прочные гели при комнатной температуре. Часто используются в пищевой промышленности как стабилизирующий и загущающий агент. Гели ведут себя как псевдопластик. Все каррагинаны — высокомолекулярные полисахариды, составленные из повторений субъединиц галактозы и 3,6-ангидрогалактозы (3,6-AG), как сульфированных, так и несульфированных. Субъединицы соединены чередующимися альфа 1-3 и бета 1-4 гликозидными связями.

В зависимости от степени полимеризации и этерификации препараты каррагинанов классифицируются на 3 группы:

• Каппа: сильные, твердые гели (одна сульфатная группа на две молекулы галактозы). Производятся из Kappaphycus cottonii,

• Йота: мягкие гели (две сульфатные группы на две молекулы галактозы). Производятся из Eucheuma spinosum,

• Лямбда: формируют гели в смеси с белками, а не водой; используются для загущения молочных продуктов (три сульфатные группы на две молекулы галактозы). Наиболее частый источник — водоросли Gigartina из Южной Европы.

Наиболее важным различием, влияющим на свойства классов каррагинанов, является количество и положение cульфатных эфиров на повторяющихся субъединицах галактозы. Большее количество сульфатных эфиров понижает темепературу растворения каррагинана и приводит к более мягким гелям или препятствует образованию гелей (лямбда-каррагинан).

Все классы каррагинана растворимы в горячей воде, но в холодной воде растворим только класс лямбда и соли натрия других классов.

Также часто раствор каррагинана используется в целях увеличения объема мяса для удешевления производства в расчете на массу готовой продукции.

Агар-агар (от малайского агар-агар — желе) — продукт (смесь полисахаридов агарозы и агаропектина), получаемый путем экстрагирования из красных (филофора) и бурых водорослей (Gracilaria, Gelidium, Ceramium и др.), произрастающих в Белом море и Тихом океане, и образующий в водных растворах плотный студень.

Альгинат натрия — соль альгиновой кислоты. Альгиновая кислота и альгинаты применяются в пищевой промышленности и медицине (в качестве антацида).

Альгинат натрия зарегистрирован в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки, применяется как загуститель и стабилизатор. Уникальность биохимического состава морских водорослей состоит в большом количестве биологически активных веществ: микроэлементов (особенно йода), витаминов, альгиновой кислоты и ее солей (альгинатов). Альгиновая кислота и ее соли являются полисахаридами. Широкое использование морских полисахаридов связано с такими их свойствами, как вязкость, способность к набуханию, взаимодействие с определенными структурами. Альгиновая кислота представляет собой длинные цепи полиуроновых кислот, образующих водорослевые растительные волокна. Они состоят из двух различных мономерных единиц (маннуроновой и гиалуроновой кислоты) в разных пропорциях. Длинные цепи этих кислот могут перекрестно сшиваться в трехмерные цепи, которые своими карбоксильными группами захватывают ионы двухвалентных металлов. Растительные волокна водорослей не перевариваются организмом человека и выводятся наружу кишечником. Как и другие природные полимеры, альгиновая кислота нерастворима в воде и в большинстве органических растворителей. Несколько иначе ведут себя некоторые соли альгиновой кислоты. Так, альгинаты калия, натрия и магния хорошо растворимы в воде. Растворимые соли образуют вязкие растворы. Именно это свойство определяет их практическое использование в качестве загустителей, стабилизаторов и связующих в производстве пищевых продуктов и лекарственных препаратов. При добавлении в раствор альгината натрия легко образуется гель. Альгиновая кислота обладает замечательной способностью адсорбировать воду весом почти в 300 раз больше собственного. Альгиновая кислота обладает ионообменными свойствами. Установлены ряды катионов в порядке возрастания их сродства к альгиновой кислоте, то есть если с ней крепче связывается какой-то катион, то другой катион вытесняется из соединения. Так, катионы свинца, меди, бария, стронция имеют большее сродство к альгиновой кислоте, чем, например, катионы кальция. Поэтому катионы свинца будут вытеснять из альгината кальция катионы кальция и сами крепко связываться с альгиновой кислотой. В настоящее время единственным сырьевым источником для получения альгиновой кислоты и ее солей являются бурые морские водоросли. Ежегодно в мире производится и потребляется 25 тысяч тонн альгиновой кислоты. Кислота и ее производные нашли применение в текстильной, винодельческой, пищевой, медицинской, парфюмерно косметической и других отраслях промышленности. В последние годы резко возрос интерес к альгинатам со стороны медиков. Применение альгинатов в медицине идет в двух направлениях, в качестве вспомогательных веществ при производстве готовых лекарственных средств и в качестве биологически активных веществ в медицинских препаратах. Так, благодаря способности альгинатов набухать в воде и образовывать при этом вязкие гелеподобные растворы их используют как разрыхлители в составе таблеток, что позволяет увеличить распадаемость и всасываемость таблеток в желудочно кишечном тракте. Примерно в 20% таблетированных медикаментов, поставляемых в нашу страну из за рубежа, в качестве вспомогательных веществ использованы альгиновая кислота или ее соли. Всем известный "Пенталгин", например, при хранении быстро "цементируется", в связи с чем время его распадаемости в желудке возрастает до 30 - 60 минут (а мы ведь ждем быстрого снятия головной боли!). Эти же таблетки, приготовленные с использованием альгинатов, распадаются, при том же сроке хранения, всего лишь за 5 - 10 минут. Из лекарственных форм наиболее привлекательны медикаменты в виде капсул. Они удобны т.к.желудочный сок не разрушает лекарственное вещество, и оно всасывается в кишечнике в полном объеме. Для изготовления капсул обычно используется желатин. Однако, если в желатиновую массу ввести альгинаты, получаются качественно новые капсулы с избирательной растворимостью в определенных отделах желудочно- кишечного тракта. Полученные при этом препараты обладают более выраженным действием и способствуют ослаблению переваривающего действия желудочного и кишечного сока на активно действующие начала. Следует отметить, что альгиновая кислота и ее соли стоят гораздо дешевле других растительных экстрактов и лакричных, употребляемых при изготовлении лекарственных препаратов. Водорослевые компоненты в полной мере заменяют дорогостоящие экстракты.

Гуаровая камедь, гуар, гуаран— пищевая добавка, относится к группе стабилизаторов.

Гуаровая камедь (вязкостью 5000 сПз и 3500 сПз, в стандартном растворе) используется в пищевой промышленности как стабилизатор консистенции и обладает следующими свойствами:

• увеличение вязкости;

• желирующие свойства.

Гуаровая камедь хорошо растворима в холодной воде, совместима с большинством других растительных гидроколлоидов, таких как агар-агар, каррагинан, камедь рожкового дерева, пектин, метилцеллюлоза и др., улучшающими консистенцию, такие комбинации могут оказать взаимно положительное влияние. Способна образовывать прочные гели даже в насыщенных растворах солей (например: NH₄NO3).

Считается, что она практически не всасывается в кишечнике и способствует уменьшению аппетита и очень эффективно снижает уровень холестерина и насыщенных жиров в организме.

Декстрин получают из сахарозы, продукт частичного разложе­ния полисахаридов. Вырабатывают из крахмала. Применяется как эмульгатор, загуститель в кремах, лосьонах и т.д.

Набухающими в воде коллоидами являются полисахариды — биополимеры, входящие в состав различных живых тканей и вы­полняющие функцию структурного элемента или запасника энер­гетического материала. К этой группе относятся крахмал, пектин, хитин, гиалуроновая кислота и др. Они широко применяются в косметике в качестве увлажняющих добавок.

Крахмал — полисахарид растительного происхождения, содер­жащийся в зернах пшеницы, риса, кукурузы, корнеплодах карто­феля и других пищевых культурах. Белый, мелкозернистый поро­шок без запаха и вкуса, не растворим в холодной воде и спиртах, растворяется в горячей воде. Химический состав крахмала опреде­ляют два высокомолекулярных соединения — амилаза и аминопектин. Крахмал хорошо адсорбирует влагу, мягко действует на кожу. Используется в детских присыпках, сухих шампунях, румя­нах, зубных пастах, синтетическом тальке. На основе крахмала по­лучают другие виды косметического сырья, например дифосфат крахмала. Его используют как нейтрализатор в шампунях от перхоти, ополаскивателях для волос и т.д. Не токсичен.

Пектин — это полисахарид клеточных стенок растений, основ­ным компонентом которых является гиалуроновая кислота. Пек­тин получают из свеклы, яблок, отжатых лимонов, цитрусовых и др. В косметике используется как природный гелеобразователь и эмульгатор.

Хитин и Хитозан — полисахарид, получаемый из панцирей ракообразных. В косметике применяется в качестве увлажнителя, заменителя гиалуроновой кислоты.

Хитозан— водорастворимое производное хитина аминосахарид, производное линейного полисахарида, макромолекулы состоят из случайно-связанных β-(1-4) D-глюкозаминовых звеньев и N-ацетил-D-глюкозамин . Один из источников получения хитозана— панцири ракообразных.

Химическая структура хитозана относит его к полисахаридам, мономером хитина является N-ацетил-1,4-b-D-глюкопиранозамин.

Молекула хитозана содержит в себе большое количество свободных аминогрупп, что позволяет ему связывать ионы водорода и приобретать избыточный положительный заряд. Отсюда и идёт свойство хитозана, как хорошего катионита.

Это также объясняет способность хитозана связывать и прочно удерживать ионы различных металлов (в том числе и радиоактивных изотопов, а также токсичных элементов).

Хитозан способен образовывать большое количество водородных связей. Поэтому он может связать большое количество органических водорастворимых веществ (бактериальные токсины и токсины, образующиеся в процессе пищеварения).

Хитозан плохо растворим в воде. Это связано с тем, что связи между молекулами хитозана более прочные, чем между молекулами хитозана и молекулами воды. При этом он довольно хорошо растворяется в уксусной, лимонной, щавелевой и янтарной кислотах. Может удерживать в своей структуре растворитель, а также растворенные в нём вещества. В растворённом виде хитозан обладает большим сорбирующим эффектом, чем в нерастворенном.

Из-за эффекта молекулярного сита и гидрофобных взаимодействий, хитозан может связывать предельные углеводороды, жиры и жирорастворимые соединения.

Хитозан получают из панцирей красноногих крабов или из низших грибов путём удаления ацила (карбонового соединения), который придаёт жёсткость хитину.

Хитозан впервые был получен в 1859 году профессором С. Роже.

По некоторым данным, не имеющим в настоящее время клинического подтверждения, хитозан понижает уровень холестерина, мочевой кислоты и глюкозы (у больных сахарным диабетом) в крови, обладает антибактериальными и противогрибковыми свойствами, улучшает усвоение кальция из пищи. Пищевые волокна (хитозан) в комплексе с витамином С и лимонной кислотой сорбируют жиры, предотвращают их всасывание и накопление в клетках и тканях, а вместе с МКЦ — усиливают перистальтику кишечника, ускоряет выведение из организма пищевых жиров, шлаков и токсинов, способствует нормализации кишечной микрофлоры, обеспечивает ощущение сытости.

Основным источником хитозана является хитин. В естественном состоянии он находится в панцирях морских крабов, креветок, криля, омаров, лангустов, раков, а также в наружном скелете зоопланктона, включая кораллы и медуз. У таких насекомых, как бабочки и божьи коровки, хитин содержится в крылышках. Клеточные стенки дрожжей, грибов и разнообразных грибков также содержат это природное вещество.

Известно, что панцири ракообразных дорогостоящи. Поэтому, несмотря на то, что есть 15 способов получения из них хитина, был поставлен вопрос о получении хитина и хитозана из других источников, среди которых рассматривались мелкие ракообразные и насекомые.

Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин.

Хитозан обладает многими свойствами, которые дают возможность применять его в большом количестве отраслей. Так его применяют в качестве корма для животных, для изготовления продуктов питания и косметики, применяют в продуктах биомедицины, в сельском хозяйства и при защите окружающей среды . Водорастворимое производное Хитина, используется большей частью в производстве средств для похудания. Хитозан способен в определённой мере связываться с молекулами жира в пищеварительном тракте. Жир, связанный с хитозаном, не усваивается и выводится из организма. Хитозан применяется как средство, способствующее снижению веса, а также для улучшения холестеринового обмена и перистальтики кишечника. Исследования показали, что применение хитозана при ожирении не эффективно^[3]

Хитозан обладает антибактериальными, противогрибковыми и антивирусными свойствами. Для хитозана также характерны мукоадгезивные свойства, то есть способность к прилипанию к слизистым оболочкам^.

В аптечках военных часто есть таблетка на основе хитозана. Они принимают её, если есть опасность попадания под вредное излучение. Хитозан связывает свободные радионуклиды и выводит их из организма человека.

В середине 1970-х годов были предприняты первые попытки использования хитинов и хитозанов для заживления ран, в том числе ожоговых. Было установлено, что хитозан обладает антимикробной активностью, способностью поглощать биологические жидкости и помогать регенерации тканей. На основе этих волокнообразующих способностей хитина и хитозана были созданы саморассасывающиеся хирургические шовные материалы. Их используют как заменители кровеносных сосудов, катетеров, шлангов.

Хитозановые материалы не вызывают аллергических реакций и не теряют своей прочности.

Одним из свойств хитина и его производных является его способность к сорбированию (очистке организма). В природе (насекомые, раки и т.д.) хитиновое покрытие носит защитную функцию, предохраняя внутренние органы от проникновения всякого рода токсинов. При применении хитозана в качестве энтеросорбента продукты на его основе проявляют интересные свойства.

Так, перспективна его способность нейтрализовывать избыточное выделение соляной кислоты желудком, он положительно влияет на слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта и многое другое

Гиалуроновая кислота (ГК) -кислый мукополисахарид, состоящий из повторяющихся единиц a-глюкуронидо-N-ацетилглюкозамина:

Молекула Молекула гиалуроновой кислоты может содержать до 25 000 таких дисахаридных звеньев. Природная гиалуроновая кислота имеет молекулярную массу от 5 000 до 20 000 000. Широко распространена в тканях животных и человека. Природная гиалуроновая кислота имеет молекулярную массу от 5 000 до 20 000 000 . Содержится в коже, синовиальной жидкости, оболочках яйцеклеток. ГК. — существенный компонент основного вещества соединительной ткани. Растворы ГК. обладают высокой вязкостью, поэтому она способна понижать проницаемость тканей, препятствуя проникновению в них болезнетворных микробов.

Обмен ГК. в организме совершается быстро — период её полураспада в организме 2 дня. Ферментативный гидролиз ГК. с образованием ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты осуществляется гиалуронидазой, которая присутствует в оболочках болезнетворных бактерий, сперме, яде змей, пауков, пчёл, слюнных выделениях пиявок, быстро растущих опухолях. Гиалуронидаза микробов и ядов, разрушая ГК. межклеточного вещества, способствует распространению инфекции в глубь тканей организма. Гиалуронидаза спермы, растворяя фолликулярный слой яйцеклетки, создаёт благоприятные условия для её оплодотворения.

ГК используют в качестве лечебного препарата для ускорения всасывания жидкости при обезвоживании организма; как фактор, способствующий быстрому проникновению анестезирующих веществ; для уменьшения разрастания соединительной ткани

ГК продуцируется некоторыми бактериями (напр. Streptococcus). В теле человека весом 70 кг в среднем содержится около 15 граммов гиалуроновой кислоты, треть из которой преобразуется (расщепляется или синтезируется) каждый день

ГК кислота является главным компонентом синовиальной жидкости, отвечающим за её вязкость. Наряду с лубрицином, гиалуроновая кислота — основной компонент биологической смазки.

ГК кислота — важный компонент суставного хряща, в котором присутствует в виде оболочки каждой клетки (хондроцита). При связывании гиалуроновой кислоты с мономерами аггрекана в присутствии связующего белка, в хряще формируются крупные отрицательно заряженные агрегаты, поглощающие воду. Эти агрегаты отвечают за упругость хряща (устойчивость его к компрессии). Молекулярная масса (длина цепи) ГК в хряще уменьшается с возрастом организма, при этом общее её содержание увеличивается.

Также, ГК входит в состав кожи, где участвует в регенерации ткани. При чрезмерном воздействии на кожу ультрафиолета, происходит её воспаление («солнечный ожог»), при этом в клетках дермы прекращается синтез ГК и увеличивается скорость её распада.

Тот факт, что ГК входит в состав многих тканей (кожа, хрящи, стекловидное тело), обусловливает её применение в лечении заболеваний, связанных с этими тканями (катаракта, остеоартрит и др.): эндопротезы синовиальной жидкости; хирургическая среда для офтальмологических операций; препараты для мягкого увеличения тканей и заполнения морщин (в том числе в виде внутрикожных инъекций) в косметической хирургии.

ГК регулирует водный баланс кожи, её тонус и упругость, сохраняя при этом внешнюю гладкость и подтянутость – тургор кожи. Известно, что кожа остаётся гладкой и упругой, благодаря переплетению волокон структурных белков – коллагена и эластина. Коллагеновые волокна фиксируются с помощью эластина, выполняющего функцию связующего материала – так создаётся красота нашей кожи. ГК находится в пространстве между длинными цепочками молекул коллагена и эластина, заполняя его и удерживая волокна в правильном положении. Если ГК достаточно, то кожа остаётся подтянутой и упругой. ГК выполняет функцию своеобразной молекулярной губки, удерживая воду и придавая коже упругость. Однако с возрастом данной кислоты вырабатывается всё меньше, и в результате кожа теряет свою упругость. К сожалению, в настоящее время дефицит ГК в коже не является проблемой только для людей среднего и старшего возраста: молодые люди, особенно девушки, тоже могут терять значительную долю ГК под воздействием химических лекарств, вредных привычек, неблагоприятной экологической обстановки, климатических условий и неправильного питания. Дефицит ГК приводит к ослаблению связей в слоях кожи, распаду волокон коллагена и эластина, снижению тонуса кожи. Получается, что природный каркас, создаваемый соединениями волокон, приходит в негодность, и кожа начинает страдать: сохнуть, шелушиться, покрываться мелкой сеточкой морщин, увядать и обвисать.

ГК используется в косметике, как составная часть средств ухода за кожей: кремов, губной помады, лосьонов и пр.