消泡劑的原理、分類及在食品中的應用
來源:轉載 作者:強力化工 發布時間:2022-06-22 10:20 閱讀次數:250

     食品起泡多是因為攪拌和通風有關系,此外食品里面含有大量的蛋白質原料例如,蛋白胨,玉米漿、黃豆粉、酵母粉都很容易產生泡沫。



關于食品泡沫的危害:

     1.泡沫影響食品的口感。
     2.泡沫過多時會容易溢出,造成浪費材料和增加染菌的機會。
     3.嚴重的話會導致菌體呼吸受到阻礙,導致菌體破壞。

     4.泡沫多會導致罐裝時的裝料減少。

     5.舉例說明:豆漿含有一種叫皂甙的物質,會讓豆漿在加熱到80-90℃時產生大量泡沫,這些泡沫就像是“障眼法”,看起來像煮沸了,實際卻還沒有徹底煮熟。
如果喝了這種豆漿,其所含的皂甙會影響人體對蛋白質的吸收,可能會導致消化不良,攝入過多時,還容易導致惡心、嘔吐、腹瀉、腹痛等問題。
     在食品生產中確實會存在很多的問題,例如果汁加工過程中產生了大量泡沫,那么灌裝時就存在同樣的問題。假如灌裝一次,那肯定是裝不滿的,假如裝的次數多,一則是增加了機器運轉,增加了生產成本;二則泡沫溢到瓶口和瓶身,就可能引起霉菌污染,從而影響產品的質量。

     又例如,做豆腐的過程中有一步是熬煮豆漿。豆漿中有大量蛋白質,還有一些皂苷。它們都具有表面活性,在加熱攪拌的過程中能夠形成大量泡沫。豆漿中含有相當多的蛋白酶抑制劑。如果沒有失去活性,就會抑制蛋白酶的活性,影響人體對蛋白質的消化吸收。而皂苷具有苦澀味,含量較高的話會導致惡心嘔吐。大量泡沫形成的溫度大概只有七八十度,這個溫度不足以讓蛋白酶抑制劑和皂苷失去活性。如果不消泡,大量泡沫的產生會讓溫度難以繼續升高。所以,消泡是一個難以避免的操作[1]。
     總結起來可以說,生產中產生的泡沫不僅影響工業生產的順利進行,也影響產品的質量,另外還會降低設備的使用面積,增加加工時間的消耗。
     我們要消除泡沫的方法有機械消泡和化學消泡兩種,機械消泡是指借助機械力將泡沫打破,或者借助壓力使泡沫破裂,該方法不需要額外添加其他物質,節約原料,減少了化學試劑的污染幾率,但是該方法需要一定的設備和動力,而且不能從根本上消除引起泡沫的因素?;瘜W消泡也就是添加消泡劑,該方法與機械消泡比起來,省時省力,投資小,見效快[2]。
一、消泡劑的簡述
     消泡劑是在食品加工過程中用來降低表面張力、消除泡沫的物質。泡沫是不溶性氣體在外力作用下進入液體之中,形成的大量氣泡被液體相互隔阻的非均相分散體系。泡沫是熱力學不穩定體系,有表面積自行縮小和自行破裂的趨勢。自然消泡需要時間很長,需要使用消泡劑實現快速消泡滿足食品加工生產的要求。
消泡劑有很多種,成分也有很大不同。
    消泡劑主要由活性成分、乳化劑、載體和乳化助劑組成,其中活性成分是最重要的核心部分,起破泡和降低表面張力的作用;乳化劑是將活性成分分散成小顆粒,以便更好地分散在油或水中,消泡效果更好。載體在消泡劑中占很大比例,表面張力不高,主要起到支撐介質的作用,有利于消泡消泡的效果,可以降低成本;乳化助劑是為了使乳化效果更好。
     消泡劑多為液體復配產品,主要分為三類:礦物油類、有機硅類、聚醚類[3]。
     1、礦物油類消泡劑通常由載體、活性劑等組成。載體是低表面張力的物質,其作用是承載和稀釋,常用載體為水、脂肪醇等;活性劑的作用是抑制和消除泡沫,常用的有蠟、脂肪族酰胺、脂肪等。
     2、有機硅類消泡劑一般包括聚二甲基硅氧烷等。有機硅類消泡劑溶解性較差,在常溫下具有消泡速度很快、抑泡較好,但在高溫下發生分層、消泡速度較慢、抑泡較差等特點。
     3、聚醚類消泡劑包括聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚等。聚醚類消泡劑具有抑泡時間長、效果好、消泡速度快、熱穩定性好等特點。例如在果蔬飲料、豆制品、蔗糖等生產過程中就會用到消泡劑。
    消泡劑的作用可分為破泡劑、抑泡劑、脫泡劑三種類型。
    所謂破泡劑,就是在液體起泡后加入,通過吸附泡沫和表面張力的作用進入泡膜使基礎變薄,可以快速破壞泡沫,降低液面。抑泡劑是能抑制泡沫產生的物質,它與液體泡沫物一起吸附在泡沫上,降低表面張力,使泡膜變薄,破損,預防泡沫現象。
   脫泡劑在液體中吸附于氣泡,聚集氣泡中的空氣,氣泡相互吸附后,在吸附界面破損形成大氣泡,浮力增大提高速度,促進脫泡。
   消泡劑一般具有破泡、抑制泡沫、脫泡等多種作用。針對不同途徑或原因產生的起泡所選擇的消泡劑是不同的,所以消泡劑的配方篩選尤為重要。
二、消泡劑消泡的原理
      消泡劑消泡原理一:
      關于消泡劑的作用機理至今還沒有統一認識,美國膠體化學家羅斯(Ross,S.)明確表示,沒有任何消泡機理復蓋所有消泡現象,各種復雜的消泡劑,可以應對各種消泡機理。接下啦闡述兩種消泡原理。
      泡沫是氣體分散于液體中的分散體系,氣體是分散相,液體是分散介質,由于氣體不溶于表面活性劑而形成穩定狀態。氣泡形成后,由于發泡體系分子間的作用,親水基和疏水基被氣泡壁吸附,形成規則排列,其親水基朝向水相,疏水基朝向氣泡內,從而在氣泡界面上形成彈性膜,其穩定性很強,常態下不易破裂。同時泡沫是熱力學不穩定系統,在重力作用下不斷進行著液膜的下流、蒸發、破裂,以及泡沫液膜間的排液、滲透過程。
      消泡的原因主要分為兩方面:1)易于鋪展、吸附的消泡劑分子取代了起泡劑分子,形成了強度較差的膜;2)在鋪展過程中消泡劑分子帶走鄰近表面層的部分溶液,使泡沫液膜變薄,泡沫穩定性降低,易于被破壞。
      從上面我們可以得知,消泡劑要發揮作用,首先必須滲入到泡膜的雙層膜中,其滲入能力可用滲入系數 E 表示。消泡劑滲入后需要快速散布開來,其散布能力可用散布系數 S 表示,
式中:γF為泡沫介質的表面張力;γDF為消泡劑的表面張力;γD為泡沫介質與消泡劑之間的界面張力。當 E>0 時,消泡劑能夠滲入到泡沫中;當 E<0 時,消泡劑不能滲入泡沫中;當 S>0 時,消泡劑能在液膜表面擴展;當 S <0 時,消泡劑不能在液膜表面擴展。所以,只有當 E>0,S>0 時消泡劑才具有消泡作用[4]。
消泡劑消泡原理二:
      泡沫在液體內部存在是因為氣體表面吸附了表面活性物質,導致表面能降低而形成能量穩定的系統而造成的;消泡劑的原理就是改變部分氣泡表面的表面活性物質的分布狀態,從而改變表面張力引起這些氣泡的內壓發生變化,并合并到其他氣泡中,形成體積更大的氣泡,但是又引起新的不平衡和新的合并。這種合并的大氣泡最后被浮力推出液體內部,這是一個脫泡過程;存在與液體表面的氣泡在重力的作用下,氣泡膜會逐漸變薄最后破裂,消泡劑的作用就是加速這個變薄并破裂的過程[5]。
三、消泡劑在食品生產中應用的標準依據
      消泡劑分為工業級消泡劑和食品級消泡劑,添加到食品當中的是對人體沒有危害的食品級消泡劑,所以可以放心食用。但是作為一款食品添加劑,需要控制最高用量,添加過量的話也會對人體產生危害。使用消泡劑作為食品添加劑的商家一定要嚴格按照我國《GB 2760-2014 食品安全國家標準_食品添加劑使用標準》的要求去謹慎添加。工業消泡劑是嚴禁添加到食品中。
      目前我國許可使用的消泡劑有乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯復合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷等。
     今年化工行業原材料價格普遍上漲,一些不良商家開始打起了小算盤,比如用工業級聚二甲基硅氧烷冒充食品級聚二甲基硅氧烷;工業級乳化劑冒充食品級乳化劑;更有甚者,為了減少活性物的使用,提升產品性能,竟然將未被列入原輔料表的工業級聚醚類和有機硅聚醚類產品使用在食品級消泡劑的生產中。令人發指!
      但按國家的標準,使用一定量食品添加劑是安全,濫用食品添加劑將對身體產生危害,甚至會致癌、致畸。目前市場上違規使用的問題主要有以下4種情況:
1、 使用未經國家批準使用或禁用的添加劑品種。
2、 添加劑使用超出規定用量。
3、 添加劑使用超出規定范圍。
4、 使用工業級代替食品級的添加劑
四、消泡劑行業的發展
      據紐約州奧爾巴尼數據,消泡劑市場預計在2022年至2031年的預測期內復合年增長率為4.5%。有機硅產品類型在2021年的消泡劑市場中占有突出的44.7%的份額,預計在預測期內將保持其主導地位。低表面張力、熱穩定性、化學惰性和完全不溶性是使有機硅消泡劑適用于包括制藥、石油和天然氣以及食品和飲料在內的多個行業的有希望的特性。
      相對于銷量而言,亞太地區在2021年占據了消泡劑市場34.4%的關鍵份額。包括制藥、造紙和紙漿、食品和飲料以及紡織品在內的幾個最終用途行業的快速增長為該地區消泡劑市場創造了充足的機會[6]。
五、消泡劑在食品中的應用研究[7]
      1)味精生產中的消泡劑
      味精的發酵過程屬于好氣性發酵,過程中產生大量的氣泡,氣泡的產生會降低產量、抑制菌體的呼吸作用、降低菌體的產酸率。消泡劑是抑制泡沫最經濟、最簡單的方法。用于味精生產中的消泡劑通常有植物油消泡劑、聚醚消泡劑、有機硅消泡劑,但是植物油消泡劑貯存不好,易變質、酸值增高,應用較少,目前聚醚類消泡劑、有機硅消泡劑在味精發酵工業中的應用較為廣泛,學者們對此進行的研究也較多。
       國內學者胡廷等人將硅膏、聚醚、乳化劑、增稠劑、水等原料,經過攪拌-升溫-溶解-分層-冷卻操作,便得到二甲基硅油-有機硅復合消泡劑,實驗最佳條件為:3000r /min 的轉速下高速離心30min,75~ 85℃的條件下存放72h。將這種消泡劑用于某味精廠發酵罐,結果表明此種有機硅復合消泡劑比現在使用的植物油類消泡劑和有機硅消泡劑的效果好,對菌種沒有影響、用量少、消泡速度快、消泡能力強,但是其抑泡效果一般。
      有國外學者M Stones研究了有機硅消泡劑,結果得出:由于硅是指一類具有Si -O -Si 骨干有機基團的特殊材料,是最簡單的聚合物,即聚二甲基硅氧烷(硅橡膠),這些特性確保了有機硅將帶著一個基團遷移到氣-液相界面上的氣泡內,有機硅和有機硅共聚物是高聚材料,聚二甲硅氧烷,他們可以結合起來,產生各種各樣的有控制泡沫作用的控制劑,具有消泡的功能。
      李月娥等人對在味精發酵中使用的聚醚消泡劑進行了實驗,結果表明聚醚的疏水基團的分子量越大,消泡效果越好,當分子量大于3000 時,這種聚醚消泡劑的消泡效果良好,分子量大于1500小于2500 時,有較好的消泡效果,而分子量小于1000 時則沒有消泡效果;聚醚消泡劑的消泡效果隨親水集團含量的增加而降低,直到失去消泡效果,甚至會有助泡的作用,只有當親水集團鏈的比例在一定范圍內時,聚醚消泡劑才有良好的消泡效果,另外聚醚消泡劑的綜合消泡能力(包括消泡和抑泡)受消泡劑濃度的影響,隨濃度的增加而降低,其最佳濃度為:5%~20%。
      有學者對聚醚消泡劑的使用方法進行了改進:先在培養基中加入一定量的消泡劑,連同培養基一起加熱消毒入罐。另外再將消泡劑配制成一定比例的乳狀液,經消毒后,用空氣保壓,視發酵罐內泡沫上升情況,隨時“流加”入罐,這樣可有效降低消泡劑的使用量。
      2)糖生產中的消泡劑
      與味精的制造不同,制糖工藝采用濃縮結晶法,消泡劑是制糖過程中常用的工業助劑,使用的消泡劑主要有:聚甘油脂肪酸酯類(如N型)、蔗糖脂肪酸酯類、聚醚類(如PPE)和有機硅類(如F 型)等。因為聚甘油脂肪酸酯類即N 型消泡劑在煮糖過程中消泡和抑泡效果好,糖漿表面張力降低幅度大,還能加快糖晶體的沉降速度,改善糖漿過濾性能,所以聚甘油脂肪酸酯類消泡劑是目前制糖工業中用的最廣泛的消泡劑。
      國內學者陳朝毅等對N 型消泡劑進行了實驗,結果表明:N 型消泡劑濃度越高,消泡抑泡的效果越強,當糖漿中消泡劑的添加量達30mg /kg 時可取得滿意的消泡、抑泡效果。還有專家將食品級消泡劑用在低聚異麥芽糖的制備過程中,結果表明食品級消泡劑能夠抑泡、降低表面張力,而且食品級消泡劑還能阻止產品被氧化,保護成品。對不同的糖類使用的消泡劑不同,理論上,親油親水平衡值(HLB)在1~3 范圍內的無毒表面活性劑都可作為糖廠加工使用的消泡劑,至今仍很難從理論上確定哪些表面活性劑是最好的糖用消泡劑,一般必須根據實驗選定。
      國外學者K. Prabhakaran等人對蔗糖中的泡沫進行了研究,結果表明在250°C 等溫條件下,有機固體泡沫在空氣中進行碳化脫水,碳泡沫由此獲得的燒結溫度在600~1400°C,密度在115~145mg /mL,電導率在1. 510-5 至0. 2Ω–1cm–1,碳泡沫球形細胞大小范圍在450 850nm,細胞是通過圓形或橢圓形窗口相互關聯,大小范圍在80 ~300nm。碳泡沫樣品的燒結溫度為1400°C,抗壓強度為0. 89MPa。
     國內還有學者陳駿佳等對苷蔗糖生產加工中的消泡劑進行了研究。結果表明在全國甘蔗糖生產中使用的消泡劑有植物油類、太古油類、蔗糖脂肪酸酯類、聚甘油脂肪酸酯類(N 型消泡劑)、有機硅化合物類等。糖液中的蛋白質、膠體及類脂物等表面活性物質,容易與空氣混合,在輸送過程中產生泡沫,導致冒箱、冒罐、跑糖等,影響糖的產量及糖的質量,加入消泡劑是解決此問題的最簡單、最直接的方法。其中蔗糖酯、N 型消泡劑消泡時間最短,為20s,而且蔗糖酯的抑泡時間最短,為21s,但是蔗糖酯生產反應復雜,不易控制,性能不穩定,水溶性差,因此N 型消泡劑是應用最多、最廣泛的。
     在糖的生產過程中由于攪拌、流動、輸送等操作,使糖液與空氣混合,產生大量氣泡,造成糖液流失,原料損失,操作困難,同時增加了能耗,影響工廠經濟效益。一般消除泡沫的方法有兩種:一是機械消泡法,二是化學消泡劑?;瘜W消泡劑具有提高生產效率、增加經濟效益、加快蒸發結晶速度、降低糖漿黏度等優點,在糖生產中添加化學消泡劑是常用的消除泡沫的方法。
   3)釀酒中的消泡劑
      有學者曾對釀酒過程中產生的不利因素進行研究,結果表明發酵過程中,因為攪拌、發酵而產生許多泡沫,泡沫給酒的加工帶來很多不利的影響和因素,如引起“逃液”、裝料減少等等,這些不利因素進一步影響酒產品產量和質量,消泡劑是抑制泡沫最簡單、最經濟的方法。
       國內有學者對釀酒過程中加入的消泡劑進行了研究,結果表明用植物油、月桂酸、脫水山梨醇單硬脂酸、肉豆落酸、油酸等做發酵消泡劑耗量大,消泡效果不理想;以聚二甲基硅氧烷為主體的有機硅消泡劑用于食品發酵得效果良好,發酵容量增加,產量提高;在消泡劑的作用下,發酵罐的頂蓋可在工作期間一直處于關閉狀態,從而降低釀液氧化作用,增高酒潔凈度;因氧化作用的降低,在部分蛋白質變性狀況下,酒的物理、化學穩定性很好,酒不再那么混濁;消泡劑使罐壁上酵母粉的附著度變低,同時也減輕了后清理的工作。
      由于各類食品加工工藝不同,消泡劑的效果、作用不同,學者武春梅等在測定啤酒原濃時也加入了消泡劑,并對其可行性進行了實驗。實驗中酒樣經過了事先除氣,但在蒸餾的初期仍然會產生泡沫,甚至溢出瓶口,當泡沫溢入蛇形冷卻管中時,表明實驗失敗,因此在實驗中加入微量的有機硅消泡劑。實驗結果表明,啤酒原濃的測定不受消泡劑的影響,可有效降低測試時間,提高實驗的成功率,并減輕檢驗人員的勞動強度。
引用資料:

[1] 云無心是我. 2019-02-01. 《做豆腐時添加的散泡止沸劑對人體有害嗎?關于豆漿豆腐的是三個問題》

[2] 消泡劑研究院.2018-09-19《【靠譜】食品級消泡劑真靠譜么?怎么辨析!》

[3] 孫寶國.《躲不開的食品添加劑》

[4] 消泡劑研究院.2019-03-28.《消泡劑應用及原理案例》

[5] 美晨乳化劑. 2021-02-22. 《科普 | GB2760—2014中可用作消泡劑的食品添加劑》

[6] 膠友通.2022年6月1日.《消泡劑市場預測 到2031年的復合年增長率為4.5%》

[7]楊雙春,張爽,趙倩茹,潘一.國內外食品消泡劑的研究進展[J].中國食品添加劑,2012(06):225-229.

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