Hvad betyder fødevarers matrixstruktur og sammensætning for aromastoffernes faseligevægte og frigivelseshastigheder? Ved udvikling af fedtfattige produkter, hvor der bruges nye funktionelle ingredienser, herunder hydrokolloider, er en forståelse af aromafrigivelsens termodynamik vigtig.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2006. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Egle Bylaite, Jens Adler-Nissen, Anne S. Meyer, BioCentrum-DTU, Danmarks Tekniske Universitet
Fødevarers lugt og smag bestemmes af flere forskellige faktorer såsom aromaprofilen, fødevarens struktur og kemiske sammensætning. Også frigivelseshastigheden for de forskellige aromastoffer er betydningsfuld, og her spiller faseligevægte og massetransport mellem faser en central rolle.
Aromafrigivelse
Aromastoffers kemiske opbygning og fysiske egenskaber har stor betydning for, hvordan aromaen frigives fra fødevarer og drikkevarer, og denne aromafrigivelse er vigtig for produktets smagskvalitet. Aromafrigivelsen fra fødevarer er primært bestemt af aromastoffernes massetransport og fasefordeling, herunder fordelingen af stofferne mellem fedt og vand i produktet [1]. Den fysisk-kemiske sammensætning af det enkelte fødevareprodukt spiller dermed også en vigtig rolle for balancen mellem frigivelse og tilbageholdelse af aromastoffer.
Det er ikke kun, når fødevaren spises, men i hvert eneste trin i forarbejdning, lagring og salg, at aromastoffernes fasefordeling og frigivelse indvirker på den endelige smagskvalitet.
Ved produktion af sammensatte fødevarer og drikkevarer er der derfor brug for at kunne justere og styre aromafrigivelsen i produkterne. Der må ikke tabes aroma ved uønsket høj frigivelse under produktion og lagring, og den maksimale ønskede mængde aroma skal frigives, når produktet indtages.
Aromaproblemer i fedtfattige fødevarer
I mange nyere, fedtfattige, »let«-versioner af fødevarer som f.eks. salatdressinger, drikkeyoghurter, aromatiserede mælkedrikke, isdesserter og kødpålæg benyttes hydrokolloider som konsistensgivere og fortykningsmidler, herunder som fedterstattere.
Tilsætning af hydrokolloider skal sikre, at produktet har den samme konsistens som det oprindelige, mere fedtholdige produkt. De mest benyttede hydrokolloider er forskellige typer pektin, carrageenaner, xanthan, guar gum, carboxymethylcellulose og stivelse, herunder forskellige modificerede stivelser.
Mange af de nye fedtfattige produkter har imidlertid vist sig at have en anderledes lugt og smagsprofil end de oprindelige fedtholdige produkter. Det skyldes netop, at aromafrigivelsen afhænger af fødevarematricens sammensætning.
Der tales om, at fedtfattige produkter »smager af mindre« end de fedtholdige, og det sker endda, at fedtfattige produkter udvikler en decideret ubehagelig lugt og smag, på trods af en omfattende produktudvikling.
Den fysisk-kemiske baggrund er, at de fleste aromastoffer er lipofile og fortrinsvis opløses i fedtfasen [2], hvorfor enhver reduktion af produktets fedtindhold påvirker aromafrigivelsen. I gastronomien oversættes det ofte til, at »fedtet bærer smagen«. Med vandopløselige aromastoffer, som f.eks. vanillin, cis-3-hexenol og diacetyl, påvirker fedtets tilstedeværelse ikke koncentrationen i vandfasen væsentligt.
Modstridende fortolkningner i litteraturen
Der er mangelfuld viden om, hvordan fraværet af fedt og tilstedeværelsen af hydrokolloider og proteiner som fedterstattere påvirker aromafrigivelsen. I den videnskabelige litteratur har der længe været en del modstridende udsagn om, hvordan hydrokolloider og fødevarers tekstur og reologi påvirker aromafrigivelsen. Den manglende afklaring skyldes primært, at hydrokolloidernes observerede påvirkning af fødevarens smag er blevet fejlfortolket mht. deres effekt på tekstur, viskositet og aromastoffernes fysisk-kemiske opførsel.
Man har f.eks. ikke altid medtaget, at hydrokolloider er polymerer med relativ høj molvægt. Dvs. at forholdsvis små koncentrationer, f.eks. 0,75 vægt% guar gum, giver samme viskositet i vandig opløsning, som en sukkeropløsning med næsten 70 vægt% sukrose. Hydrokolloiderne danner en åben netværkstruktur, der ikke påvirker vands mobilitet nævneværdigt, mens vandmobiliteten er kraftigt sænket i sukroseopløsninger pga. den høje koncentration af sukrosemolekyler, der kan fastholde vandet med hydrogenbindinger. Denne forskel må forventes at påvirke aromastoffernes diffusionskoefficienter og dermed masseovergangen fra levnedsmiddel til omgivelser.
Der er også fremført ideer om, at aromastofferne tilbageholdes fysisk i hydrokolloidernes gelstruktur-netværk. Det er imidlertid vigtigt ikke at sammenblande tolkningen af effekten på smagsindtrykket, som er en kobling af termodynamiske og psykobiologiske fænomener, med indflydelsen på de rent termodynamiske mekanismer. De er alene et resultat af ændringer i aromastoffernes fasefordeling og massetransport. Der har manglet systematiske forsøg, hvor indflydelsen af fødevarens tekstur og reologiske egenskaber på aromastoffernes fysisk-kemiske opførsel blev kortlagt fra en termodynamisk vinkel.
Aromafrigivelsens termodynamik
Fordelingen af aromastoffer mellem gas- og produktfase udtrykkes i praksis nemmest med en samlet fordelingskoefficient, Kgp:
Kgp beskriver forholdet mellem aromakoncentrationen i gasfasen (Cg) og aromakoncentrationen i produktfasen (Cp) ved ligevægt. Størrelsen af Kgp definerer den maksimale grad af aromafrigørelse. Konstanten er bestemt af flygtigheden og opløseligheden i produktet af hvert enkelt aromastof ved en bestemt temperatur ved ligevægt [3]. Den initiale massetransport for aromafrigivelsen, release raten, kan beskrives ved en hastighedskonstant, massetransportkonstanten, kr, for aromafrigivelsen fra fødevarematricen. A er det pågældende aromastofs koncentration i produktet på et givent tidspunkt (t), og A0 er initialkoncentrationen for det pågældende aromastof:
Transporthastigheden af aromastoffer i vandfasen af fødevarer begrænses af mikroskopisk viskositet, h. Hvis aromastoffets molekylradius, r, kendes, eller kan tilnærmes, kan aromastoffets diffusionskoefficient, D, ved en bestemt temperatur, T, estimeres vha. Stokes-Einstein-ligningen som funktion af h:
Her er k = Boltzmanns konstant 1.381 × 10-23 Joule/Kelvin og p: 3,1416.
For hydrokolloider i vandig opløsning er den mikroskopiske viskositet (der hænger sammen med vandmobiliteten) lav, i modsætning til den makroskopiske viskositet (som kan måles med et viskosimeter). Stokes-Einstein-ligningen gælder derfor ikke direkte for hydrokolloidsystemer, da den herskende makroskopiske viskositet ikke må sættes lig den mikroskopiske viskositet. Pga. denne vigtige detalje har hydrokolloider, trods deres markante effekt på den samlede viskositet, ikke nødvendigvis stor indflydelse på aromastoffernes diffusivitet, transporthastighed og aromafrigivelse i fødevarer.
Analysemetoder
Statisk headspace-analyse vha. gaskromatografi (GC) kan bruges til at bestemme koncentrationen af et aromastof for forskelligt sammensatte produkter. Når der er opnået ligevægt mellem stofkoncentrationen i headspace, dvs. i gasfasen over produktet, og i produktet, kan metoden bruges til at bestemme Kgp, der igen kan bruges til at klarlægge graden af interaktion mellem det pågældende aromastof og fødevarematricen.
Størrelsen af Kgp afspejler dog ikke aromafrigørelsen af maden i munden, fordi der ved normal indtagelse ikke er tid nok til at opnå ligevægt i munden. Desuden er hverken produkt- eller gasfasen i munden velafgrænset.
Kgp estimerer snarere den maksimalt mulige frigivelsesgrad af et aromastof fra et bestemt system ved en bestemt temperatur. Sammen med stoffernes fasefordeling spiller aromafrigørelseshastigheden, altså release raten, derfor en afgørende rolle for opfattelsen af madens smag og aromafylde. Selve hastigheden, kr, kan måles ved at følge koncentrationsændringerne af aromastoffer over et produkt med tiden indtil ligevægt. Det gøres i praksis med dynamisk headspace GC-analyse. I analysen bobles inert gas, typisk N2, gennem produktet eller over produktets overflade mhp. at forcere de flygtige aromastoffer ind over en adsorberende fælde. Til aromaanalyse bruges typisk Tenax TA, rør pakket med polymeriseret 2,6-diphenylenoxid, som adsorbent. Efter en fastsat tid (eller en fast mængde inert gasvolumen) desorberes aromastofferne fra Tenax-fælden, typisk vha. varme, og separeres og kvantificeres derefter ved GC-analyse. Massetransporten vurderes ud fra release-kurvernes hældning (figur 1):
Udvikling af en levnedsmiddelmodel med varierbar makroskopisk viskositet
For at undersøge effekten af viskositet på aromafrigivelse, uden at sammenblande den med indflydelsen af hydrokolloidkoncentrationen, har vi udviklet en model med 0,4% højmethoxyleret calciumsensitivt pektin (DM=72), 10% sukrose og pH 3.6. Ved tilsætning af 0–0,08% vægt/vægt CaCl2×2 H2O svarende til ca. 0-54 mg Ca2+/g pektin kan modellens viskositet varieres over flere log-enheder: fra ~ 0,01 ® 300 Pascal sekunder som funktion af påført stress [4] (figur 2). Fordelen ved dette system er, at viskositetsvariationen alene afspejler en variation af hydrokolloidmatricens struktur, uden at hydrokolloid-koncentrationen ændres.
For at validere indflydelsen på aromafrigivelsen af viskositetsændringer med andre hydrokolloider, f.eks. λ–carrageenan og xanthan, har vi anvendt systemer, hvor viskositeten ændredes ved at ændre hydrokolloidkoncentrationen. Et eksempel er vist med λ–carrageenan i figur 3.
Fordelingskoefficienter (Kgp) for aromastoffer i levnedsmiddelmodeller
For at bevise, at viskositetsforøgelse forårsaget af hydrokolloider ikke påvirker aromastoffers fordelingskoefficient, har vi målt fordelingskoefficienter, Kgp, for systematiske, kemiske serier af aromastoffer i pektinmodelmatricen og i tilsvarende, viskøse modeller med hhv. λ–carrageenan og xanthan [4,5,6]. I pektinmodellen varierede aromastoffernes Kgp – som ventet – slet ikke med forskellige niveauer af Ca2+-tilsætning. Kgp påvirkedes dermed ikke med viskositetsændring af systemet. Viskositetsændringer med λ–carrageenan påvirkede heller ikke Kgp – undtagen for de meget flygtige og de mest hydrofobe aromastoffer. Tilstedeværelse af xanthan reducerede Kgp for limonen (en dominerende citrusaroma) og for enkelte aromatiske estre og aldehyder, men reduktionen var flere størrelsesordener mindre end den samtidige ændring i viskositeten, forårsaget af tilsætning af xanthan. Derfor har vi konkluderet, at reduktionen i Kgp skyldtes aromastoffernes interaktion med xanthan, og ikke ændringen i hverken hydrokolloidstrukturen eller viskositeten.
Har matrixstrukturen og viskositeten betydning for aromafrigivelseshastigheden?
Ved brug af dynamisk headspace GC har vi udarbejdet release rate-kurver for systematiske serier af aromastoffer i pektin-Ca2+-modellen og i fødevaremodeller med λ–carrageenan og xanthan [4,5,6] (figur 1 og 3). I pektinmodellen var aromafrigivelseshastigheden nogenlunde konstant som funktion af viskositetændringer forårsaget af Ca2+-tilsætning – dog sås en forøget release rate med øget viskositet for nogle af de helt kortkædede (C3, C4) aromastoffer. Den øgede frigivelseshastighed er formentlig resultatet af en udsaltningseffekt forårsaget af pektin. Både λ-carrageenan og xanthan nedsatte frigivelseshastigheden af visse aromastoffer. Graden af denne effekt afhang af aromastoffernes fysisk-kemiske karakteristika og hydrokolloidkoncentrationen (figur 3). Med λ-carrageenan sås den største effekt på de mest flygtige stoffer. Effekten med xanthan var mest udtalt for limonen, efterfulgt af estre og aldehyder, mens der ingen effekt var på ketoner, og nærmest en udsaltningseffekt på alkoholer. Ingen af påvirkningerne på frigivelseshastighederne var i nærheden af at være i samme størrelsesorden som ændringerne i viskositeten forårsaget af hydrokolloidtilsætningerne.
Samlet fortolkning
De opnåede resultater viser, at der ikke er en generel sammenhæng mellem hydrokolloidopløsningers makroskopiske viskositet og aromafrigivelsen. De relativt små effekter, vi har observeret, skyldes snarere specifikke interaktioner mellem hydrokolloiderne λ-carrageenan og xanthan og udvalgte aromastoffer. Resultaterne betyder, at visse hydrokolloider, pga. disse specifikke interaktioner, kan forårsage ændringer i aromaprofilen, men ikke dæmpe hele aromaintensiteten.
De opnåede resultater har givet anledning til en grundig revurdering af de foreliggende data i litteraturen. Det viser sig, at vores resultater er i fuld overensstemmelse med, hvad andre har fundet i forskellige hydrokolloidmodeller. Endvidere er mange af disse data tolket flere steder i litteraturen på en måde, som vi ikke mener er baseret på en korrekt forståelse af de fysisk-kemiske forhold.
Med de resultater, der er opnået i forsøgsarbejdet på BioCentrum-DTU, mener vi at have belæg for at sige, at aromafrigivelsen i levnedsmidler, som indeholder hydrokolloider, finder sted i fuld overensstemmelse med termodynamiske ligninger for stoffordeling og massetransport, men at måling af viskositet ikke kan bruges til at forudsige aromastoffernes stoftransport i disse systemer.
Forskningen har været støttet af en centerkontrakt under Innovationsloven: »The role of texture on flavour release in foods – measurement and perception«
Referencer
1. de Roos KB Physiochemical models of flavor release from foods. In Flavor Release; Roberts DD, Taylor A, Eds. American Chemical Society, Washington DC, 2000, pp. 126-141.
2. Seuvre AM, Espinoza-Diaz M, Voilley A 2000: Influence of the food matrix structure on the retention of aroma compounds. J. Agric. Food Chem., 48:4296-4300.
3. Overbosch P, Afterof WGM, Haring PGM 1991: Flavor release in the mouth. Food Rev. Int. 7:137-184.
4. Bylaite E, Meyer AS, Adler-Nissen J 2003: Changes in macroscopic viscosity do not affect the release of aroma aldehydes from a pectinaceous food model system of low sucrose content. J. Agric. Food Chem., 51:8020-8026.
5. Bylaite E, Ilgunaite Z, Meyer AS, Adler-Nissen J 2004: Influence of λ-carrageenan on the release of systematic series volatile flavor compounds from viscous food model systems. J. Agric. Food Chem., 52:3542-3549.
6. Bylaite E, Adler-Nissen J, Meyer A.S, 2005: Effect of xanthan on flavor release from thickened viscous food model systems. J. Agric. Food Chem., 53: 3577-3583.
Figur 1: Eksempel på aromafrigivelseskurver for 3-methylbutanal fra en vand og hydrokolloidmatrix (pektin 0,4%) med varierbar viskositet, optaget vha. dynamisk headspace gaschromatografi: Lysblå kurve: vand, Gul kurve: 0,4% pektin uden Ca2+, Orange kurve: 0,4% pektin med 13,5 mg Ca2+/g, Rød kurve: 0,4% pektin med 27 mg Ca2+/g
Figur 2. Viskositetskurver af 0,4 % pektinopløsninger tilsat forskellige niveauer (%) af CaCl2×2H2O.
Figur 3. Initial frigivelse af 3-methylbutanal fra vand og λ-carrageenanopløsninger med stigende viskositet og λ-carrageenankoncentration: vand , 0,1% λ-carrageenan, 0,25% λ-carrageenan, 0,4% λ-carrageenan, 0,5% λ-carrageenan.
