درباره هیدروکلویید کاراگینان

○ منشاء ، ساختار و فرآیند تولید
برای قرن ها، جلبک دریایی قرمز (خانواده Rhodophyceae) برداشت شده و در غذاهای کشورهای شرق دور و اروپا استفاده می شود. همه این جلبکها حاوی پلی ساکاریدهای طبیعی هستند که به عنوان مواد ساختاری فضاهای خالی در ساختار سلولزی گیاه را پر می کنند. علاوه بر آگار و فورسلران،کاراگینان ها گروه بسیار مهمی از هیدروکلوئیدها هستند که از جلبک های دریایی قرمز (گونه های Chrondrus، Gigartina و Euchema) استخراج می شوند که در نزدیکی سواحل اقیانوس اطلس شمالی و اقیانوس آرام رشد می کنند. فرآیندهای مختلف تولید برای ساخت عصاره کاراگینان و کاراگینان نیمه تصفیه شده، که به عنوان جلبک دریایی فرآوری شده Euchema (PES)، PNG، SRC یا ARC نیز شناخته می شود، استفاده می شود. تفاوت فرآیند تولید بین ” extract ” و “PES” در این است که در فرآیند” extract” کاراگینان را حل کرده و مواد جامد را حذف می کنند، در حالی که فرآیند “PES”کاراگینان را در ساختار سلولزی جلبک دریایی رها می کنند. برای تولید کاراگینان تصفیه شده، جلبک دریایی برداشت شده را خشک کرده و با آب شستشو می دهند تا شن و ماسه و سنگ ها جدا شوند. سپس با آب قلیایی تحت فشار 140-100 درجه سانتیگراد (284-212 درجه فارنهایت) استخراج می شود. مواد قلیایی خاص، به عنوان مثال سدیم، پتاسیم، یا هیدروکسید کلسیم، بسته به نمک کاراگینانی که باید تولید شود انتخاب می شود. سپس عصاره های خام با فرآیندهای فیلتراسیون، تصفیه با کربن فعال و سانتریفیوژ خالص شده و در نهایت تغلیظ می شوند. سپس محلول های غلیظ با ایزوپروپیل الکل رسوب داده می شود تا توده فیبری به دست آید سپس فشرده شده تا الکل آن خارج شود و سپس آنرا خشک می کنند.
یک فرآیند بازیابی جایگزین برای کاپاکاراگینان استفاده می شود که به موجب آن محلول کاراگینان به محلول غلیظ کلرید پتاسیم اکسترود می شود و یک توده فیبری تشکیل می شود. توده ژل ته نشین شده تحت فشار زیاد آبگیری شده و ممکن است منجمد و مجددا ذوب شود تا قبل از فرآیندهای خشک شدن و آسیاب شدن ، بتواند قابلیت آبگیری را افزایش دهد. مراحل تولید “PES”شامل، شستشوی مناسب، خیساندن در محلول هیدروکسید پتاسیم (با کاتیون های پتاسیم اضافی برای جلوگیری از حلالیت کاراگینان) قبل از خرد کردن و سفید کردن برای کاهش رنگ پودر نهایی است. پس از شستشو، مراحل خشک کردن، آسیاب کردن و مخلوط کردن ، مشابه مراحل کاراگینان ” extract ” است. الزامات میکروبیولوژیکی برای “PES”مورد استفاده در غذاها با موارد مورد نیاز کاراگینان یکسان است.
تولید جهانی کاراگینان سالانه حدود 50000 تن است که حدود 70 تا 80 درصد آن در صنایع غذایی استفاده می شود. ساختار شیمیایی کاراگینان نام خانواده ای از نمک های گالاکتان سولفاته با محتوای سولفات بین 18 تا 40 درصد است.آنها اساسا پلی ساکاریدهای آبدوست خطی با وزن مولکولی بالا هستند که از واحدهای دی ساکارید تکرار شونده گالاکتوز و 3،6-آنهیدرو-گالاکتوز، سولفاته و غیر سولفاته تشکیل شده اند، که توسط α-(1,3) و β-(1,4) متناوب به هم متصل می شوند.
انواع اصلی کاراگینان ها شامل کاپا-، لامبدا و یوتا کاراگینان هستند که از نظر تعداد و موقعیت گروههای استر سولفات و محتوای آنها از واحدهای 3،6-آنهیدروگالاکتوز متفاوت هستند.
κ- Carrageenan از زنجیره ای از گالاکتوز متناوب تشکیل شده است و واحدهای انیدرو گالاکتوز که در آن باقیمانده گالاکتوز یک گروه استر سولفات را در موقعیت 4 بدنبال خود دارد.
محتوای استر سولفات آن تقریباً 22٪ و محتوای 3,6-anhydro-galactose آن حدود 33٪ است.
Carrageenan- ι دارای یک گروه استر سولفات اضافی در موقعیت 2 بر روی باقیمانده انیدرو گالاکتوز است و بنابراین دارای محتوای استر سولفات بالاتر از 32٪ همراه با 26٪ انیدرو-گالاکتوز است.
λ- Carrageenan یک زنجیره متناوب از واحدهای گالاکتوز است که در حالت β-(1,4) و α-(1,3) به هم متصل شده اند. گالاکتوز در موقعیت 4 عمدتاً به صورت دی سولفات 2،6 و گالاکتوز در موقعیت 3 عمدتاً به صورت 2 سولفات وجود دارد که تقریباً حاوی 37 درصد استر سولفات با 2،3-آنهیدرو گالاکتوز یا بدون آن است. تفاوت “PES” با ” extract ” در این است که “PES” حاوی 8 تا 15 درصد ماده نامحلول در اسید (AIM) در مقایسه با ” extract ” که حاوی حداکثر 2 درصد است.
(AIM) شبکه ساختاری مواد سلولزی و پروتئینی گیاهی را تشکیل می دهد و یکپارچگی آن را در طول فرآیند “PES” حفظ می کند. در نتیجه، در فرآیندهایی که از “PES”استفاده میکنند ، انرژی کافی در طول پردازش باید اعمال شود تا ساختار AIM شکسته شود و کاراگینان آزاد شود. پروفایل های هیدراتاسیون و حلالیت برای “PES” و ” extract ” متفاوت است. برای کاربردهایی که نیاز به محلول یا ژل شفاف دارند، فقط می توان از ” extract ” استفاده کرد. میانگین وزن مولکولی “PES” و ” extract ” بین 200 تا 800 کیلو دالتون است، اما می تواند به 1.5 میلیون دالتون (MDa) برسد. κ-کاراگینان بیشترین درصد استفاده از این عصاره جلبک دریایی و λ-Carrageenan کمترین درصد استفاده را دارد. تولید آن بسیار گران است زیرا باید گیاهان خاصی انتخاب شوند. اکثر محصولات تجاری با برچسب “λ-کاراگینان” ترکیبی از نوع κ و نوع λ اصلاح نشده غیرژلهای هستند.
○ حلالیت، ویسکوزیته و ژل شوندگی
حلالیت کاراگینان های مختلف به ساختار آنها، دمای اعمال شده و حضور کاتیون ها بستگی دارد. همه کاراگینان ها در آب گرم محلول هستند، اما به استثنای نوع λ ، تنها نمک های سدیم κ- و ι-کاراگینان در آب سرد محلول هستند. نمک های پتاسیم و کلسیم انواع κ- و ι در دمای 60-50 درجه سانتی گراد (122 تا 140 درجه فارنهایت) کاملاً محلول هستند. همه کاراگینان ها در شیر داغ محلول هستند. در شیر سرد، تنها λ-کاراگینان حلالیت دارد و از طریق فعل و انفعالات پروتئینی، اثر غلیظ کننده ای ایجاد می کند، اثری که توسط فسفات ها تقویت می شود. در اصل، هنگامی که یک محلول کاراگینان گرم می شود، تا زمانی که دما از حدود 40 تا 60 درجه سانتی گراد (104 تا 142 درجه فارنهایت) بالاتر برود، تورم یا هیدراتاسیون ذرات قابل توجهی وجود ندارد. همانطور که ذرات هیدراته می شوند، ویسکوزیته افزایش می یابد زیرا ذرات متورم مقاومت بیشتری در برابر جریان ایجاد می کنند.
دماهای بیشتر تا 75 تا 80 درجه سانتیگراد (167 تا 176 درجه فارنهایت) باعث کاهش ویسکوزیته می شود. با سرد شدن محلول ، افزایش قابل توجهی در ویسکوزیته و به دنبال آن ژل شدن زیر 40 تا 50 درجه سانتی گراد (104 تا 122 درجه فارنهایت) رخ می دهد.
محلول های کاراگینان بسیار چسبناک هستند و با افزایش دما ویسکوزیته این چسبناکی کاهش می یابد. هنگامی که گرما در سیستم های خنثی اعمال می شود (pH 7-9) افت ویسکوزیته برگشت پذیر رخ می دهد اما در دمای معمولی محیط، ویسکوزیته در محدوده وسیعی از pH پایدار است.
مقادیر اسید بالا و pH کمتر از 4.5 تا 5.5 منجر به هیدرولیز محلول های کاراگینان می شود که با حرارت این تخریب تسریع می شود ، اما ژل های κ- و ι در برابر اسید پایدار هستند.اما لازم است تا کاراگینان در آخرین لحظه به محصولات اسیدی اضافه شود و یا بلافاصله قبل از پر شدن اسید به غذا باید اضافه شود تا تجزیه پلیمر به حداقل برسد. محلولهای خالص در هنگام پمپاژ یا هم زدن، پلاستیسیته کاذب یا رقیق شونده برشی را نشان میدهند.
همه کاراگینانها در دماهای بالا هیدراته میشوند، به ویژه انواع κ- و ι که ویسکوزیته سیال پایینی در آب و شیر نشان میدهند. در هنگام خنک شدن تا زیر نقطه ژل، که بین 30 تا 70 درجه سانتیگراد (86-158 درجه فارنهایت) است، این κ- و ι-کاراگینان بسته به کاتیون ها و سایر مواد موجود، طیفی از بافت های ژل را تشکیل می دهند. در حضور پتاسیم (K+)، κ-کاراگینان ژلهای سفت و شکنندهای را تشکیل میدهد که دارای سینرسیس بوده و پایداری در برابر ذوب شوندگی ندارند.
ι-Carrageenan ژل های نرم و الاستیک و بدون سینرسیس با کلسیم (Ca2+) می دهد. ژل های κ-کاراگینان با بریدن شکسته می شوند و این اثر دائمی و برگشت ناپذیر است. ژلهای نوع ι با برش شکسته میشوند، اما پس از حذف تنش برشی، بازیابی میشوند و دوباره ژل تشکیل می گردد، که نشاندهنده رفتار تیکسوتروپیک است.
شکر و نمک بر حلالیت کاراگینان ها تأثیر می گذارد. در محلول قندی 50 درصد، انواع κ محلول در گرما بوده، نوع ι نامحلول و انواع λ محلول هستند. در محلول های نمکی 10 درصد، κ-کاراگینان نامحلول بوده و انواع ι- و λ محلول در گرما هستند. نمک ها و شکر تأثیر زیادی بر دمای هیدراتاسیون کاراگینان و دمای بستن و ذوب مجدد آن دارند. به عنوان مثال، 2٪ نمک (NaCl) می تواند دمای هیدراتاسیون نمک سدیم κ-کاراگینان را از 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) به 55 درجه سانتیگراد (131 درجه فارنهایت) یا بیشتر در آب نمک گوشت افزایش دهد. در غلظت های 4% NaCl یا بالاتر، از هیدراتاسیون کاملاً جلوگیری می شود. وجود مواد جامد بالا، به عنوان مثال، در شیرینیپزی، کاراگینان و کاتیونها را به طور موثر در فاز آبی متمرکز میکند، به طوری که ژل شدن ممکن است در دمای 80-85 درجه سانتیگراد (176-185 درجه فارنهایت) یا بالاتر رخ دهد. برای اطمینان از هیدراتاسیون کامل و جلوگیری از ایجاد توده ، ذرات کاراگینان از قبل با شکر (5 تا 10 برابر مقدار) مخلوط می شوند یا از قبل در روغن، شربت شکر، الکل یا محلول نمک محلول می شوند.
○ خواص
توانایی تشکیل ژل های برگشت پذیر با خنک کردن ساده محلول های داغ و آبی مهم ترین ویژگی آگار است. بیشترین مزایای آگار در کاربردهای مختلف غذایی ناشی از بافت سفت ، قابلیت تحمل حرارت ، پایداری در شرایط اسیدی، حلالیت بالا در محلول های قند غلیظ و واکنش پذیری محدود با سایر اجزای غذایی است. آگار را می توان با اسید در دمای بالا هیدرولیز کرد، بنابراین برای مقادیر pH کمتر از 5 توصیه می شود که pH درست قبل از خنک شدن کاهش داده شود تا ژل تشکیل شود. دوز آن پایین و معمولاً بین 0.5 تا 2٪ است. آستانه ژل شدن 0.2٪ است. با صمغ لوبیا لوکاست (LBG) یا صمغ گوار، ژلهای آگار سینرسیس کمتر و خاصیت ارتجاعی بیشتری از خود نشان میدهند. حداکثر استحکام ژل (+8%) آگار با 10% گالاکتومانان LBG یا 10% کنجاک گلوکومانان به دست میآید. قدرت ژل با غلظت بالای قند (بیش از 60٪) افزایش می یابد. صمغ کارایا قدرت ژل آگار را کاهش می دهد. وجود اسید تانیک یا گلوکز پنتادیاگالوئیل موجود در میوه هایی مانند به، شلیل و آلو می تواند به دلیل عملکرد آنها به عنوان جاذب پروتون، فرآیند ژل شدن را مهار کند. با افزودن سطوح پایین گلیسرول می توان بر این اثر غلبه کرد.
منابع:
Source: General Overview of Food Hydrocolloids