ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАТРИЕВОЙ СОЛИ КАРБОКСИМЕТИЛКРАХМАЛА И НОВЫХ ПАВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

АННОТАЦИЯ

Исследованы влияние натриевой соли карбоксиметилкрахмала (КМК-Na) и новых поверхностно-активных веществ (ПАВ) на стабильность эмульсий «масло в воде». Для исследований были приготовлены эмульсии систем, содержащих КМК-Na, ПАВ и оливковое масло. Полученные результаты показали, что использование КМК-Na совместно с ПАВ при получении эмульсий повышает эмульгирование, стабильность и устойчивость масляных эмульсий. Определены оптимальные соотношения для приготовления эмульсий на основе оливкового масла с использованием КМК-Na и ПАВ. Показано, что концентрация КМК-Na влияет на реологические свойства эмульсий и повышает стабильность эмульсий оливкового масла. Показано, что эмульгирующая способность системы с КМК-Na и ПАВ в несколько раз выше, чем систем содержащих только ПАВ. Установлено, что применение КМК-Na в эмульсиях оливкового масла в качестве эмульгатора повышает стабильность и устойчивость эмульсий.

ABSTRACT

The influence of sodium carboxymethyl starch (CMS-Na) and surfactants on the stability of oil in water emulsions was studied. For the study, emulsions of systems containing CMS-Na, surfactants and olive oil were prepared. The results obtained showed that the use of CMS-Na together with surfactants in the preparation of emulsions increases the emulsification, stability and stability of oil emulsions. The optimal ratios for the preparation of emulsions based on olive oil using CMS-Na and surfactants were determined. It has been shown that the concentration of CMS-Na affects the rheological properties of emulsions and increases the stability of olive oil emulsions. It has been shown that the emulsifying ability of the system with CMS-Na and surfactants is several times higher than that of systems containing only surfactants. It has been established that the use of CMS-Na in olive oil emulsions increases the stability of the emulsions.

Ключевые слова: натриевая соль карбоксиметилкрахмала, ПАВ, эмульгатор, гидроколлоиды, масляные эмульсии, стабильность эмульсии.

Keywords: sodium carboxymethyl starch, surfactants, emulsifier, hydrocolloids, oil emulsions, emulsion stability.

Введение. В последние годы из-за воздействия синтетических добавок на здоровье и окружающую среду спрос на продукты питания, косметические препараты и фармацевтические продукты, содержащие добавки из натуральных источников увеличиваются. Поэтому основное внимание при разработке эмульсионных продуктов уделяется использованию компонентов и эмульгаторов природного происхождения [8; 10]. Действительно, поскольку синтетические добавки вызывают экологические проблемы из-за своей низкой биоразлагаемости [15], альтернативой могут быть натуральные добавки, такие как белки, полисахариды и фосфолипиды из возобновляемых источников [6]. Важнейшими компонентами, используемыми для стабилизации и защиты эмульсий, являются гидроколлоиды, которые могут действовать как эмульгаторы и стабилизаторы. Эмульгаторы адсорбируются на поверхности масел и воды при приготовлении эмульсии и защищают образующиеся капли от коалесценции [5]. Их стабилизирующее действие на эмульсии обусловлено увеличением вязкости водной фазы. Увеличение вязкости сплошной фазы снижает флокуляцию, коалесценции и кинетическое движение капель масел, что повышает стабильность эмульсии [11]. Влияние гидроколлоидов и анионных полисахаридов в эмульсиях исследованы в работе [4]. Результаты показали, что добавление анионных полисахаридов улучшило стабильность эмульсий. Физико-химические свойства гидроколлоидов масляно-водной фазы и механизм гомогенизации оказывают сильное влияние на физическую стабильность эмульсий. Большинство полисахаридов действуют как стабилизаторы эмульсии, образуя протяженную сетку в непрерывной фазе, обладающей высокой вязкостью [3; 14]. Следовательно, они могут изменять реологическое поведение непрерывной фазы и оказывать важное влияние на физическую стабильность эмульсий [2]. Одним из наиболее распространенных в природе полисахаридов является крахмал. Натриевая соль карбоксиметилкрахмала (КМК-Na) водорастворимая модификация крахмала, применяется во многих отраслях промышленности. Натриевая соль карбоксиметилкрахмала представляет собой гидроколлоид с анионной полимерной структурой. Из-за своей ионной природы вязкость дисперсий КМК-Na чувствительна к pH и ионной силе, а также к наличию других типов заряженных молекул. В пищевой промышленности КМК-Na используется в качестве загустителя, связующего влаги и наполнителя в различных пищевых продуктах. В последнее время КМК-Na стал использоваться в качестве загустителя в полутвердых молочных продуктах благодаря своим технологическим, физиологическим и питательным преимуществам. Однако имеется меньше информации о том, как КМК-Na действует в качестве загустителя в пищевых эмульсиях [7; 13]. Оливковое масло является природным источником ряда биоактивных соединений и имеет очень хорошие органолептические свойства. При этом тип масла влияет на физиологические и питательные свойства, также реологию эмульсий и на ее стабильность. Каждый тип масла имеет свои особенности и зависит от его физических и химических свойств, таких как растворимость, длина цепи жирных кислот и химическая стабильность [9, 12]. Для получения систем на основе эмульсий с долгосрочной стабильностью важно изучать основные компоненты, влияющие на рецептуру и физические свойства пищевых эмульсий. В этом контексте основной целью данной работы было оценить влияние применения КМК-Na в качестве загустителя и эмульгатора в эмульсиях систем «оливковое масло/вода» и «оливковое масло/раствор ПАВ» на стабильность эмульсии.

Экспериментальная часть. Состав и приготовление эмульсий оливкового масла. Эмульсии «масло в воде» (м/с) содержат оливковое масло в качестве дисперсной фазы, натриевую соль карбоксиметилкрахмала, синтезированного из местного кукурузного крахмала в качестве загустителя, и ПАВ (AFSN-1, SEFA-2) в качестве эмульгатора [1]. Растворы КМК-Na двух разных концентраций (0,5 и 0,75%) были использованы для получения эмульсии оливкового масла с концентрацией 5 и 15 %. Соотношение поверхностно-активного вещества к маслу составляло 5:6. Были приготовлены три типа эмульсий.

Водную фазу эмульсии первого типа готовили путем диспергирования ПАВ в очищенной воде с помощью магнитной мешалки (DLAB Scientific Co., MS7-H550-S) при комнатной температуре в течение 20 минут при 250 об/мин.

Затем к водной фазе медленно добавляли масло, смесь перемешивали с помощью гомогенизатора (Wiggen Hauser D130, Германия) при 21200 или 16800 об/мин (для образцов с 5 % или 15 % масла соответственно) в течение 15 минут.

Второй тип эмульсии готовили добавлением к масляно-водным эмульсиям КМК-Na и смешиванием миксером (DLAB Scientific Co., OS20-S, Китай) при 1500 об/мин. при комнатной температуре до полного диспергирования (около 60 минут).

Третий тип эмульсии готовили смешиванием КМК-Na в водной фазе при комнатной температуре до полного диспергирования (около 60 минут) с помощью миксера и добавлением ПАВ при 1500 об/мин. и перемешивали 20 минут. Затем постепенно добавляли масло и эмульсию готовили перемешиванием в течение 15 минут. Перед измерениями все образцы переносили в закрытые флаконы и хранили в холодильнике (5±1°С в течение 24 часов). Готовили не менее двух образцов из каждой эмульсии.

Определение стабильности эмульсий при хранении. Для определения стабильности при хранении все эмульсии помещали в градуированный цилиндр емкостью 25 мл (общая высота ~250 мм) и хранили при температуре 5 и 20 °C в течение 21 дня и наблюдали процесс разделения фаз. Исходя из высоты выделенной масляной фазы, в эмульсиях рассчитывали стабильность каждого соответствующего компонента. В течение периода хранения также определяли стабильность каждой эмульсии путем измерения ее высоты в цилиндре каждые 24 часа.

Определение коллоидной стабильности эмульсий. Суть метода основана на разделении эмульсии на масляную и водную фазы центрифугированием. Лабораторную центрифугу (DLAB Scintific Co., DM0506, Китай) использовали для определения коллоидной стабильности эмульсий. Во время испытания все пробирки наполняют одинаковым объемом образцов эмульсии и взвешивают. Разница массы пробирок с эмульсией не должна превышать 0,2 г. Центрифугирование проводят в течение 5 минут со скоростью 100 оборотов в секунду. Пробирки вынимают и определяют стабильность эмульсии. Если расслоение эмульсии наблюдалось только в одной пробирке, то испытание повторяли с другими образцами эмульсии.

Определение термической стабильности эмульсий. Сущность метода основана на разделении эмульсии на масляную и водную фазы при высоких температурах. Пробирки диаметром 14 мм и высотой 120 мм закрывают пробками, следя за тем, чтобы в эмульсии не оставалось пузырьков воздуха, и помещают в термостат с температурой 40 °С. При определении термостабильности, масляные эмульсии в пробирках тщательно перемешивают стеклянной палочкой для удаления воздуха после 1-часового контроля температуры. Эмульсии выдерживают в термостате в течение 24 часов, затем определяют стабильность. Эмульсия устойчива, если после термостатирования в пробирках отделены слои масляной фазы не более 0,5 см.

Полученные результаты и их обсуждение. Исследовали стабильность эмульсий оливкового масла, состоящих из ПАВ в качестве эмульгатора и КМК-Na в качестве загустителя. Испытания на физическую стабильность проводились с эмульсиями, имеющими различные соотношения КМК-Na с оливковым маслом и с эмульсиями, хранившимися при различных температурах (при 5 °C и 20 °C). Нами установлено, что разделение фаз в изученных эмульсиях происходило после 21–24 суток хранения эмульсий при постоянной температуре. Исследованиями показано, что чем ниже температура хранения эмульсий, тем выше стабильность исследованных эмульсий.

В таблице 1 ниже показаны объемы разделения (мм) эмульсий с различной концентрацией КМК-Na и оливкового масла, хранившихся при температуре 5 °С. В зависимости от используемого соотношения КМК-Na : оливковое масло наблюдались различные процессы дестабилизации. Эмульсии, содержащие КМК-Na: оливковое масло в соотношениях 0,75 % : 5 %, показали наибольшую устойчивость, и они являются самыми стабильными эмульсиями. Образцы эмульсии с высокой (0,75 %) концентрацией КМК-Na показали хорошие результаты по сравнению с эмульсиями с низкой концентрацией КМК-Na (0,5 %). Самые высокие значения стабильности наблюдали в эмульсиях полученные с использованием КМК-Na при концентрации 0,75 %. Этот результат связан с улучшением стабильности эмульсии, с ростом концентрации КМК-Na, что связано с увеличением вязкости системы из-за гидроколлоидного вклада непрерывной водной фазы. Зависимость показателя устойчивости эмульсии при хранении от концентрации КМК-Na: оливкового масла в непрерывной фазе в различные моменты времени и температуры представлена в таблице 1. На практике все приготовленные эмульсии оказались более стабильными при хранении при температуре 5 °С.

Таблица 1.

Стабильность эмульсий с различными концентрациями оливкового масла, KMK-Na и ПАВ при хранении 5°C и 20°C

Разница между различными эмульсиями стала более очевидной после 21 дня хранения. Хранение эмульсий влияло на их устойчивость, поскольку могло увеличить частоту столкновений капель с каплями, что способствует изменению стабильности. Изменение температуры хранения оказало влияние на неизменность эмульсии, поскольку могло увеличить частоту столкновений капель с каплями, что способствует стабильности в данных условиях. Кроме того, повышение температуры может снизить образующуюся вязкость, что способствует повышению нестабильности эмульсии. Все эмульсии, хранившиеся при температуре 5 °С, показали высокие значения стабильности на 21 день. Наименьшей устойчивостью среди всех этих образцов обладала эмульсия, содержащая КМК-Na, ПАВ и оливковое масло в соотношении 0,5:12,5:15 (%) (табл. 1).

Полученные результаты показали, что увеличение концентрации КМК-Na и ПАВ в системе привело к улучшению физической стабильности и устойчивости полученных эмульсий оливкового масла. Эти образцы также показали наибольшую устойчивость к флокуляции, коалесценции и фазовому расслоению по сравнению с другими образцами, что может быть связано с увеличением вязкости систем, содержащих ПАВ и КМК-Na.

Коллоидную стабильность определяли центрифугированием эмульсий и разделением их на масляную и водную фазы (табл. 2). Определена высота масляной фазы, отделившейся в результате центрифугирования приготовленных контрольной и тестируемой эмульсий.

Таблица 2.

Коллоидная устойчивость эмульсий полученных на основе КМК-Na, ПАВ и оливкового масла

Как видно из полученных результатов, наблюдалось повышение коллоидной устойчивости водомасляных эмульсий при применении КМК-Na и ПАВ. Полученные результаты показали значительное влияние КМК-Na на эмульгирующую способность и стабильность масляных эмульсий за счет комплексного воздействия КМК-Na и ПАВ. Установлено, что эмульсии, полученные при соотношении КМК-Na и оливкового масла 0,5:6 и 0,75:6 имеют высокую коллоидную стабильности и устойчивости.

Изучено влияние концентрации КМК-Na и ПАВ при получении эмульсий, а также влияние высоких температур на разделение полученных соединений на масляную и водную фазы. Полученные результаты приведены в таблице 3 ниже.

Таблица 3.

Термостабильность эмульсий на основе КМК-Na,  ПАВ и оливкового масла

На основе полученных результатов установлено, что масляные эмульсии, полученные на основе КМК-Na и ПАВ, устойчивы при высоких температурах. Из приведенных результатов в таблице 3 видно, что масляные эмульсии, полученные на основе КМК-Na : оливковое масло и ПАВ : оливковое масло также имеют высокие термостабильности.

Выводы. Определены оптимальные соотношения реагентов для приготовления эмульсий на основе оливкового масла с использованием КМК-Na и ПАВ. Показано, что добавление и увеличение концентрации КМК-Na и ПАВ эффективно влияют на реологические свойства эмульсий оливкового масла и повышают устойчивость и стабильность исследованных эмульсий. Полученные результаты показали, что эмульгирующая способность системы содержащей КМК-Na и ПАВ в несколько раз выше, чем систем содержащих только ПАВ. Установлено, что применение КМК-Na при получении эмульсий оливкового масла повышает процесс эмульгирования, увеличивает стабильность и устойчивость эмульсий.

Список литературы:

1. Самандаров Ш. К., Махкамов P.P., Нурманова M.Л., Саидкулов Ф.Р. Получение и адсорбционные свойства карбоксиметилкрахмала на основе кукурузного крахмала // Ўзбекистон кимё журнали. – 2023. – № 6. – 71-80 бет.
2. Chung C., Degner B., McClements. Understanding multicomponent emulsion-based products: influence of locust bean gum on fat droplet—starch granule mixtures // Food Hydrocolloids. – 2014. – Vol. 35. – Pp. 315–323.
3. Dickinson E. Hydrocolloids as emulsifiers and emulsion stabilizers // Food Hydrocolloids. – 2009 – Vol. 23 (6). – Pp. 1473–1482.
4. Garcia-Moreno P. J., Guadix A., Guadix E. M., Jacobsen C. Physical and oxidative stability of fish oil-in-water emulsions stabilized with fish protein hydrolysates // Food Chemistry. – 2016. – Vol. 203. –  Pp. 124–135.
5. Hasenhuettl G.L., Hartel, R.W. (Eds.). Food Emulsifiers and Their Applications. – New York: Springer, 2008.
6. Jellema R.H., Janssen M., Terpstra E. J., Wijk R.A.De, Smilde A. K. Relating the sensory sensation ‘creamy mouthfeel’ in custards to rheological measurements // Journal of Chemometrics. – 2005. – Vol. 19(3). – Pp. 191–200.
7. Lopez-Miranda J., P´erez-Jim´enez F., Ros E. Olive oil and health: summary of the II international conference on olive oil and health consensus report // Nutrition, Metabolism & Cardiovascular Diseases. – 2010. – Vol. 20(4). – Pp. 284–294.
8. McClements D. J. Food Emulsions: Principles, Practices and Techniques // CRC Press, Boca Raton, Fla, USA, 2005.
9. McClements D. J., Decker E. A., Park Y. Controlling lipid bioavailability through physicochemical and structural approaches // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. – 2009. – Vol. 49 (1). – Pp. 48–67.
10. Mirhosseini H., Tan C. P., Aghlara A., Hamid N. S. A., Yusof S., Chern B. H. Influence of pectin and CMC on physical stability, turbidity loss rate, cloudiness and flavor release of orange beverage emulsion during storage // Carbohydrate Polymers. – 2008. – Vol. 73(1). – Pp. 83–91.
11. Phillips G.O., Williams P.A. (Eds.) Handbook of Hydrocolloids. – Cambridge. Woodhead Publishing Limited, 2009. 
12. Piorkowski D.T., McClements D.J. Beverage emulsions: recent developments in formulation, production, and applications // Food Hydrocolloids. – 2014. –Vol. 42 (1). – Pp. 5–41.
13. Ruiz-Canela M., Mart´ınez-Gonzalez M.A. Olive oil in the primary prevention of cardiovascular disease // Maturitas. – 2011. – Vol. 68(3). – Pp. 245–250.
14. Zhang D. Xu J., Cao Y., Wang J., Xiao J. Influence of microcrystalline cellulose on the microrheological property and freeze-thaw stability of soybean protein hydrolysate stabilized curcumin emulsion // LWT—Food Science and Technology. – 2016. – Vol. 66. – Pp. 590–597.
15. Zhang L.-M. New water-soluble cellulosic polymers: a review // Macromolecular Materials and Engineering. – 2001. – Vol. 286 (5). – Pp. 267–275.