” Księgowy musi być świadomy danych dotyczących stabilności, aby ustalić i uzasadnić wydatki na potencjalne modyfikacje technik przetwarzania, koszty premiksów odżywczych, itp.
” Dietetyk musi być świadomy danych dotyczących stabilności, aby ocenić wybór i ostatecznie podaż składników odżywczych dla konsumentów.Na stabilność składników odżywczych wpływają czynniki fizyczne i chemiczne. Na rycinie 1 przedstawiono szeroki zakres czynników fizycznych i chemicznych wpływających na stabilność składników odżywczych. Chociaż wiele czynników może powodować poważną degradację składników odżywczych, można opracować środki minimalizujące straty poprzez zastosowanie odpowiedniej technologii, która obejmuje zastosowanie powłoki ochronnej dla danego składnika odżywczego; dodanie przeciwutleniaczy; kontrolę temperatury, wilgotności i pH; oraz ochronę przed powietrzem, światłem i niekompatybilnymi metalami podczas przetwarzania i przechowywania. W niniejszym opracowaniu omówiono kilka sposobów zmniejszenia skali degradacji, szczególnie w odniesieniu do witaminy A, jodu i żelaza.
Witamina A
Witamina A jest krytycznym mikroelementem, niezbędnym do widzenia w nocy oraz do utrzymania integralności skóry i błon śluzowych. Wczesną oznaką niedoboru witaminy A jest ślepota nocna. Ciężki niedobór witaminy A może skutkować trwałą ślepotą. Niedobór witaminy A jest nadal głównym problemem żywieniowym w Indonezji, jak również w wielu innych częściach świata. Główne interwencjeprogramy przeciwko niedoborowi witaminy A administrowane przez rząd Indonezji są edukacja żywieniowa, dystrybucja kapsułek witaminy A, ifortyfikacja wybranych powszechnie spożywanych pokarmów.
Fortyfikacja żywności z witaminą A okazała się być bardzo obiecującą strategią. Pilotażowy projekt fortyfikacji witaminą A glutaminianu monosodowego (MSG) w trzech województwach doprowadził do zmniejszenia częstości występowania niedoboru witaminy A. Dalszy rozwój zależy od przezwyciężenia zmian koloru spowodowanych fortyfikacją MSG witaminą A. Inne środki spożywcze, takie jak olej palmowy i makaron, zostały również uznane za nośniki witaminy A.
Witamina A występuje w wielu formach, takich jak retinol (alkohol), retinal (aldehyd), octan retinylu lub palmitynian retinylu (estry) i prowitamina Acarotenoids (b-karoten, a-karoten, itp.). Witamina A jest stosunkowo niestabilna w normalnych warunkach przechowywania, szczególnie w trudnych warunkach środowiskowych. Niestabilność wynika głównie z jej struktury chemicznej, która zawiera wiele podwójnych wiązań podatnych na degradację (rys. 2).
Aby zminimalizować degradację witaminy A, wprowadzono kilka metod. Ponieważ witamina A jest wrażliwa na działanie tlenu atmosferycznego (forma alkoholowa witaminy A jest mniej stabilna niż estry), jest ona zazwyczaj dostępna w handlu jako preparat chroniony przez powłokę zawierającą przeciwutleniacz(y). Według Murphy’ego, był tylko jeden główny dostawca witaminy A (jako palmitynian retinylu lub octan) do fortyfikacji żywności, Hoffman-La Roche z Szwajcarii. Tabela 1 zawiera listę głównych preparatów, które są lub były dostępne.
Antyoksydanty, które mogą być dodawane do premiksów witaminy A to butylowany hydroksyanizol (BHA), butylowany hydroksytoluen (BHT) i a-tokoferole (witamina E). Stosowanie witaminy E jako przeciwutleniacza zyskuje coraz większą popularność. Śladowe ilości metali (zwłaszcza żelaza i miedzi) oraz światło ultrafioletowe przyspieszają degradację witaminy A. Na stabilność witaminy A wpływa również kwasowość. Poniżej pH 5,0 witamina A jest bardzo niestabilna.
Żelazo i jod
Niedobór żelaza jest najbardziej rozpowszechnionym problemem żywieniowym na świecie. W Indonezji częstość występowania anemii wśród kobiet w ciąży, dzieci poniżej piątego roku życia i kobiet pracujących wynosi odpowiednio 64%, 55% i 30%. Niedobór żelaza ma negatywny wpływ na odporność na infekcje, zachorowalność i śmiertelność z powodu chorób zakaźnych, procesy uczenia się, zachowanie, kondycję fizyczną i wydajność.
Jednym z ważnych czynników, który powinien być starannie oceniony w przygotowaniu premiksów mineralnych (jako składników do fortyfikacji żywności) jest rodzaj soli, która ma być fortyfikowana. Żelazo jest zwykle dostarczane w postaci fosforanu żelaza, pirofosforanu żelaza, pirofosforanu sodowo-żelazowego, glukonianu żelaza, mleczanu żelaza, siarczanu żelaza lub żelaza zredukowanego (tabela 2), podczas gdy jod jest zwykle dostarczany w postaci jodku potasu lub jodanu.
RYS. 1. Czynniki wpływające na stabilność składników odżywczych
FIG. 2. Struktura chemiczna alkoholu witaminyA i b-karotenu
TABELA 1. Komercyjne preparaty witaminy A dostępne w firmieHoffman-La Roche
|
Typ |
Składniki |
Zastosowanie spożywcze |
|
Palmitynian retinylu, akacja, cukier, modyfikowana skrobia spożywcza, BHT, BHA,benzoesan sodu, a-tokoferol |
Mleko suche beztłuszczowe, żywność odwodniona, suche zboża, napoje w proszku do odtworzenia przed użyciem |
|
|
250 S |
Palmitynian retinylu, żelatyna, skrobia spożywcza modyfikowana sorbitolem, cytrynian sodu, syrop kukurydziany, kwas askorbinowy, olej kokosowy, BHT, a-tokoferol, dwutlenek krzemu, BHA |
Mieszanka sucha i płynne produkty mleczne |
|
Palmitynian retinylu, akacja, laktoza, olej kokosowy, BHT, benzoesan sodu, kwas sorbowy, dwutlenek krzemu, BHA |
Produkty spożywcze i wyroby piekarnicze, dehydratyzowane płatki ziemniaczane, mleko suche |
|
|
500 |
Palmitynian retinylu, żelatyna, cukier inwertowany, fosforan trójwapniowy,BHT, BHA, benzoesan sodu, kwas sorbowy, wodorosiarczyn sodu |
Suche mieszanki i płynne produkty mleczne |
|
Sukroza – emulsja z palmitynianem retinylu. emulsja palmitynianu retinylu w wodzie |
||
|
Olej |
Palmitynian retinylu, BHA, BHT |
Brak |
TABELA 2. Wybrane źródła żelaza stosowane obecnie w suplementacji żywności
|
Związek |
Inna nazwa zwyczajowa |
Sformułowanie |
Zawartość żelaza (g/kg) |
RBVa |
|
Ortofosforan żelaza |
FePO4×xH2Ob |
3-46 |
||
|
Pirofosforan żelaza |
Pirofosforan żelaza |
Pirofosforan żelaza |
Fe4(P2O7)3×9H2O |
45 |
|
Pirofosforan sodowo-żelazowy |
Pirofosforan sodowo-żelazowy |
FeNaP2O3×2H2O |
14 |
|
|
Cytrynian amonowo-fosforowy |
FexNH3(C6H8O7)x |
107 |
||
|
Fumaran żelazawy |
Fe(C4H2O4) |
330 |
95 |
|
|
Glukonian żelazawy |
Fe(C6H12O7)Xc |
120 |
97 |
|
|
Mleczan żelazawy |
Fe(C3H5O3)2×3H2O |
– -. |
||
|
Siarczan żelazawy |
FeSO4×7H2O |
320 |
100C |
|
|
Żelazo |
Żelazo elementarne (ang, ferrum reductum, żelazo metaliczne |
1,000 |
||
|
Redukcja żelaza, Proces H2 lub CO |
Fe |
960 |
34 |
|
|
Redukcja żelaza, elektrolityczne |
Fe |
970 |
50 |
|
|
Redukcja żelaza, karbonyl |
Fe |
980 |
67 |
Źródło: ref. 4.
a. RBV oznacza względną wartość biologiczną. Osoby z niedoborem żelaza są leczone z niedoboru żelaza przez podawanie im albo testowej próbki żelaza, albo preferencyjnej dawki siarczanu żelazawego. Wyleczenie jest mierzona przez hemoglobiny lub uzupełnienie objętości komórek spakowanych we krwi szczurów, a biodostępność próbek jest zgłaszane w odniesieniu do wartości 100 dla siarczanu żelaza. Tak więc, każda próbka żelaza, która jest mniej dostępna niż siarczan żelaza będzie miała RBV mniejszą niż 100.
b. Ortofosforan żelazowy zawiera od jednej do czterech cząsteczek odwodnienia.
c. Dokładne struktury soli żelaza są niepewne.
Następujące czynniki chemiczne i fizyczne powinny być dokładnie sprawdzone w preparatach do wzbogacania żywności, szczególnie w przypadku żelaza:
” Rozpuszczalność: sole żelazawe są bardziej rozpuszczalne niż sole żelazowe.
” Stan utleniania: sole żelazawe mogą być wykorzystywane bardziej efektywnie niż sole żelazowe; jednakże sole żelazawe są również bardziej reaktywne w systemach żywnościowych.
” Zdolność do tworzenia kompleksów: żelazo żelazne ma ogólnie większą skłonność do tworzenia kompleksów niż żelazo żelazne; tworzenie kompleksów znacznie zmniejsza biodostępność żelaza.
W przygotowaniu żelaza jako składnika do wzbogacania żywności należy zbadać możliwość reakcji lub powiązania żelaza z innymi składnikami odżywczymi. Obecność jonów metali (takich jak żelazo) może mieć szkodliwy wpływ na jakość, jeśli środki nie są właściwie podjęte. Wykazano, że żelazo przyspiesza degradację witamin (zwłaszcza witamin A i C oraz tiaminy), katalizuje jełczenie oksydacyjne olejów i tłuszczów oraz wywołuje niepożądane zmiany (kolor, nieprzyjemny smak itp.)
Wpływ przetwarzania na stabilność dodanych składników odżywczych
Na stabilność składników odżywczych wpływa wiele czynników chemicznych i fizycznych (rys. 1). W związku z tym podczas przetwarzania żywności wzbogaconej należy dobierać i kontrolować parametry przetwarzania, aby zminimalizować straty składników odżywczych.
W porównaniu z witaminami, składniki mineralne (żelazo i jod) są bardzo stabilne w ekstremalnych warunkach przetwarzania. Podstawowym mechanizmem utraty składników mineralnych jest wypłukiwanie materiałów rozpuszczalnych w wodzie. Witamina A, z drugiej strony, jest bardzo labilna w środowisku przetwarzania. Rysunek 3 ilustruje możliwości degradacji witaminy A (szczególnie jej prowitaminowej formy – b-karotenu). Witamina A jest wrażliwa zarówno na tlen, jak i na temperaturę. Borenstain i Ottaway stwierdzili, że witamina A (a także b-karoten) dodawana do żywności jest wrażliwa na uszkodzenia oksydacyjne. W formie retinolu, witamina A jest bardziej labilna niż jej forma estrowa; z tego powodu, estry witaminy A są zwykle używane do fortyfikacji żywności, jak pokazano w tabeli 1.
Tabela 3 przedstawia stabilność witaminy A w pasteryzowanym, wzbogacanym multiwitaminami soku pomarańczowym. Witamina A ulegała nieznacznej degradacji w ciągu pierwszych dwóch miesięcy przechowywania. Aktywność witaminy A była znacznie bardziej stabilna, gdy witamina ta była dodawana w postaci b-karotenu.
Stabilność witaminy A jest również silnie uzależniona od pH. Przy apH poniżej 5 witamina A jest podatna na utlenianie. Przy niskim pH witamina A wykazuje tendencję do izomeryzacji z konfiguracji trans do cis, co powoduje obniżenie aktywności witaminy. Z problemem niskiego pH spotykamy się szczególnie podczas przetwarzania soków. Soki owocowe mają zazwyczaj niskie pH (około 3,0). W celu skompensowania niskiego pH, do stabilizacji witaminy A można zastosować karbonizację, która usuwa tlen.
TABELA 3. Degradacja witaminy A podczas przetwarzania i przechowywania pasteryzowanego soku pomarańczowego z dodatkiem multiwitaminy
FIG. 3. Szlak degradacji karotenu
Wpływ obróbki wysokotemperaturowej na stabilność składników odżywczych (witamin)
Ponieważ wysokie temperatury mogą być stosowane w produkcji żywnościortyfikowanej, należy podjąć środki w celu zminimalizowania strat spowodowanych degradacją termiczną. Suszenie jest metodą przetwarzania, która wykorzystuje wysoką temperaturę i ma wiele zastosowań w produkcji żywności wzbogaconej. Suszenie jest zazwyczaj przeprowadzane przy użyciu kilku kombinacji czasu i temperatury, takich jak 9 do 12 godzin w 50°C, 2 do 3 godzin w 95°C lub 2 do 5 sekund w 140°C. Aby zminimalizować straty składników odżywczych, pożądane jest stosowanie niższych kombinacji czasu i temperatury, co można osiągnąć poprzez zwiększenie powierzchni lub zmniejszenie ciśnienia podczas procesu suszenia.
Suszenie w piekarniku jest najbardziej rozpowszechnioną metodą. Na przykład produkty makaronowe mogą być suszone w piekarniku przez 9 do 12 godzin w temperaturze 50°C lub przez 2 do 3 godzin w temperaturze 95°C. O’Brien i Roberton donieśli, że b-karoten był bardziej stabilny niż forma estrowa witaminy A podczas suszenia w piecu. Podczas przetwarzania makaronu, suszenie w piecu przez 9 do 12 godzin w temperaturze 50°C spowodowało 14% utratę witaminy A. Jednakże, to samo leczenie spowodowało utratę tylko około 5% b-karotenu. Co więcej, suszenie przez 3 do 5 godzin w temperaturze 95°C spowodowało zniszczenie 23% witaminy A, ale tylko 8% b-karotenu.
Suszenie bębnowe jest często stosowane do produkcji żywności wzbogaconej w postaci sproszkowanej. Przewaga suszenia bębnowego nad konwencjonalnym suszeniem w piecu polega na tym, że można stosować wyższe temperatury przy czasie obróbki wynoszącym zaledwie 2 do 30 sekund. Połączenie wysokiej temperatury i krótkiego czasu (HTST) maksymalizuje retencję składników odżywczych.
Ponadto, suszarka bębnowa jest zwykle używana do płynnych zawiesin spożywczych. Stąd, materiał może osiągać bardzo wysoką temperaturę, ponieważ tworzy on warstwę na powierzchni bębna. Tworzenie się tej warstwy podczas suszenia może zapewnić pewną ochronę składników odżywczych przed uszkodzeniem oksydacyjnym, zwłaszcza w porównaniu z podobnymi procesami HTST, takimi jak proces wytłaczania. Tabela 4 pokazuje, że retencja składników odżywczych jest znacznie lepsza podczas suszenia bębnowego/walcowego niż w procesie ekstruzji ze względu na tworzenie się filmu.
Suszenie rozpryskowe jest kolejną techniką, która może być wykorzystana do produkcji żywności wzbogaconej. Oprócz kombinacji czasowo-temperaturowych, należy zastosować inne środki, aby zapobiec lub zminimalizować kontakt rozpylanych produktów spożywczych z tlenem. Podczas suszenia rozpyłowego drobno rozpylona żywność jest wprowadzana do komory suszenia, gdzie napotyka na strumień gorącego powietrza, który powoduje szybkie schnięcie. Proces rozpylania znacznie zwiększa kontakt żywności z tlenem, przyspieszając w ten sposób uszkodzenia oksydacyjne.
Wprowadzono kilka sposobów minimalizowania uszkodzeń oksydacyjnych, w tym dodawanie przeciwutleniaczy oraz stosowanie materiałów powlekających i kapsulacji. Materiał powlekający może być zastosowany poprzez użycie sacharozy w recepturze surowca. Johnson i wsp. wykazali, że powłoka zawierająca co najmniej 10% sacharozy jest konieczna do zapewnienia dobrej ochrony przed atakiem oksydacyjnym podczas suszenia rozpyłowego. Zauważyli oni również, że jeśli to możliwe, pożądane jest dodanie 15% do 20% sacharozy do składu surowca, ponieważ zapewnia ona większą ochronę przed utlenianiem.
Tabela 4. Straty witamin: wytłaczanie vs. suszenie na rolkach
Źródło: ref. 8.
Aby zminimalizować pogorszenie jakości spowodowane utlenianiem podczas suszenia, składniki odżywcze mogą być dodawane po suszeniu. Proces ten (rys. 4) jest stosunkowo prosty i wydajny, ale wymaga zastosowania urządzeń do mieszania ekstrudowanego.
Innym procesem przetwarzania żywności, w którym wykorzystuje się wysokie temperatury, jest proces ekstruzji. Ekstruzja jest bardzo popularna w produkcji przekąsek i gotowych do spożycia płatków śniadaniowych. Ekstruzja ma kilka zalet w porównaniu z innymi metodami, ponieważ jest to bardzo wszechstronny proces, który obejmuje kilka operacji jednocześnie: mieszanie, gotowanie i formowanie. Kilka parametrów jest ważnych dla określenia jakości produktu końcowego, w tym temperatura (100° do 140°C lub wyższa), zawartość wilgoci, system powlekania i tlen, jak również inne parametry charakterystyczne dla procesu ekstruzji, takie jak ciśnienie, przepustowość, prędkość (rpm) ślimaka i średnica matrycy. Jeśli to możliwe, fortyfikacja powinna być przeprowadzona podczas procesu końcowego w celu maksymalnego zatrzymania składników odżywczych. Na tym etapie, fortyfikacja może być przeprowadzona w trakcie stosowania aromatu.
FIG. 4. Fortyfikacja mleka suszonego rozpyłowo witaminami
Stabilność składników odżywczych i właściwe znakowanie
Wzrost świadomości konsumentów w zakresie zdrowego odżywiania zmusił producentów żywności do ujawniania na etykiecie informacji o składzie swoich produktów. W przypadku żywności wzbogaconej, ilość dodanego składnika odżywczego deklarowana na etykiecie jest bardzo ważna.
Aby spełnić deklaracje na etykiecie w realistycznym terminie przydatności do spożycia, producenci muszą dokładnie zbadać zachowanie i kinetykę degradacji składników odżywczych. W celu uzyskania prawidłowych informacji o zawartości składników odżywczych na etykiecie produktu, ilość dodanego składnika odżywczego powinna być większa niż podana na etykiecie. Różnica pomiędzy zawartością deklarowaną a podaną jest określana jako nadwyżka. Nadwyżka = (ilość składnika odżywczego obecnego w produkcie – ilość deklarowana na etykiecie)/ilość deklarowana na etykiecie × 100.
Przekroczenie zawartości będzie się różnić w zależności od nieodłącznej stabilności składników odżywczych, warunków, w jakich żywność jest przygotowywana i pakowana, oraz przewidywanego okresu przydatności produktu do spożycia. Tak więc, bardziej labilne lub niestabilne składniki odżywcze, takie jak witamina A, ogólnie wymagają wysokich nadmiarów. W tabeli 5 przedstawiono przykładowe nadwyżki witaminy A stosowane w trzech różnych produktach. Naddatek w wysokości 25% oznacza, że jeśli deklarowana ilość witaminy A wynosi, na przykład, 20 mg na gram produktu, to poziom wejściowy lub ilość składnika odżywczego w składzie powinna wynosić 25 mg na gram produktu.
Termin przydatności do spożycia i deklarowaną ilość składnika odżywczego na etykiecie (w oparciu o ilość składnika odżywczego pozostałą na końcu okresu przydatności do spożycia produktu) można określić kilkoma metodami, z których jedną jest metoda Arrheniusa opisana przez Labuzę i Riboh.
Kinetyka degradacji substancji odżywczych może być modelowana jako kinetyka zerowego lub pierwszego rzędu. Używając prostego modelu kinetycznego, możemy przewidzieć okres przydatności do spożycia i nadwyżki danego składnika odżywczego. Tabela 6 porównuje straty składników odżywczych przewidywane przez model Arrheniusa z rzeczywistymi ilościami utraconych składników.
Innym aspektem etykietowania żywności wzbogaconej jest oświadczenie dotyczące składników odżywczych. W Wielkiej Brytanii, na przykład, jeżeli na etykiecie znajduje się oświadczenie, że żywność jest „bogatym” lub „doskonałym” źródłem określonej witaminy lub minerału, dzienna porcja żywności (opisana jako „ilość żywności, której spożycia można racjonalnie oczekiwać w ciągu dnia”) musi zawierać co najmniej połowę zalecanego spożycia (RDA) dla tego składnika odżywczego. W przypadku wymagań obowiązujących w innych krajach, należy skonsultować się z odpowiednimi przepisami dotyczącymi żywności.
Tabela 5. Przekroczenia zawartości witaminy A w trzech produktach
|
Produkt |
Trwałość przydatności do spożycia (mo) |
Średnia (%) |
|
|
Mleko-mleczny napój wzbogacony w proszku |
12 |
25 |
|
|
Wzmocniony baton zastępujący posiłek |
12 |
45 |
|
|
Tabletka multiwitaminowa |
30 |
30 |
60 |
Wnioski
Fortyfikacja żywności jest programem interwencji żywieniowej, który ma ściśle określoną populację docelową, a jego skuteczność mierzy się na podstawie tego, czy wzbogacona żywność jest akceptowana, kupowana i spożywana przez tę populację. Sukces programu fortyfikacji żywności mierzy się tym, czy stan odżywienia i zdrowia populacji docelowej uległ poprawie, czy też nie. Dlatego przy opracowywaniu programu wzbogacania żywności należy starannie ocenić kilka ważnych aspektów, takich jak określenie stabilności składników odżywczych w normalnych warunkach przechowywania i stosowania. Z technicznego punktu widzenia, stabilność składników odżywczych podczas formułowania, przygotowywania i przetwarzania jest kluczowa dla efektywnej produkcji wzbogaconej żywności.
Wiele czynników może powodować poważną degradację składników odżywczych. W związku z tym należy wdrożyć odpowiednią technologię minimalizującą straty. Niektóre strategie stabilizacji zawartości składników odżywczych obejmują stosowanie powłok ochronnych dla poszczególnych składników odżywczych; dodawanie przeciwutleniaczy; kontrolę temperatury, wilgotności i pH; oraz ochronę przed powietrzem, światłem i niekompatybilnymi metalami podczas przetwarzania i przechowywania. Stabilność składników odżywczych i warunki, w jakich żywność jest przygotowywana, wytwarzana i pakowana, wpływają na trwałość produktu i jednocześnie na zawartość składników odżywczych. Stopień degradacji składników odżywczych w żywności oraz długość okresu przechowywania będą decydować o poziomie przeterminowania. Stopień degradacji składników odżywczych można określić kilkoma metodami, z których jedną jest stosunkowo prosta metoda Arrheniusa, która może być wykorzystana do przewidywania okresu trwałości i przeterminowania danego składnika odżywczego.
Tabela 6. Straty witamin (%) po sześciu miesiącach przechowywania w temperaturze20°C i wilgotności względnej 75%
|
Witamina |
Przewidywana z modelu Arrheniusa |
Analizowana po przechowywaniu |
|
24.0 |
23,0 |
|
|
Preparat witaminy A |
15.0 |
10.0 |
|
Kwas foliowy |
8,1 |
7.4 |
|
Witamina B12 |
9.2 |
7,7 |
Źródło: ref.11..
3. Murphy PA. Technology of vitamin A fortification of foods indeveloping countries. Food Technol 1996;50(9): 69-74.
4. Richardson DP. Fortyfikacja żelaza w żywności i napojach. Chem Ind1983;13:498-501.
5. Archer MC, Tannenbaum SR. Vitamins. In: Tannenbaum SR, ed.Nutritional and safety aspects of food processing. New York: Marcel Dekker,1979.
6. Borenstain B. Technologia fortyfikacji. In: Tannenbaum SR,ed. Nutritional and safety aspects of food processing. New York: Marcel Dekker,1979:217-31.
9. Johnson LE, Gordon HT, Borenstain B. Technology of breakfastcereal fortification. Cereal World 1988;33: 278-330.
10. Schlude M. Stabilność witamin w gotowaniu ekstruzyjnym. In:O’Connor C, ed. Extrusion technology for the food industry. London: ElsevierApplied Science, 1987.
11. Labuza TP, Riboh D. Theory and application of Arrhenius’kinetics to the prediction of nutrient losses in food. Food Technol1982;36(2):66-74.
12. Labuza TP. Open shelf life dating of foods. Westport, Conn, USA: Food and Nutrition Press,1982.