消泡剂的原理、分类及在食品中的应用
来源:转载 作者:强力化工 发布时间:2022-06-22 10:20 阅读次数:424

     食品起泡多是因为搅拌和通风有关系,此外食品里面含有大量的蛋白质原料例如,蛋白胨,玉米浆、黄豆粉、酵母粉都很容易产生泡沫。



关于食品泡沫的危害:

     1.泡沫影响食品的口感。
     2.泡沫过多时会容易溢出,造成浪费材料和增加染菌的机会。
     3.严重的话会导致菌体呼吸受到阻碍,导致菌体破坏。

     4.泡沫多会导致罐装时的装料减少。

     5.举例说明:豆浆含有一种叫皂甙的物质,会让豆浆在加热到80-90℃时产生大量泡沫,这些泡沫就像是“障眼法”,看起来像煮沸了,实际却还没有彻底煮熟。
如果喝了这种豆浆,其所含的皂甙会影响人体对蛋白质的吸收,可能会导致消化不良,摄入过多时,还容易导致恶心、呕吐、腹泻、腹痛等问题。
     在食品生产中确实会存在很多的问题,例如果汁加工过程中产生了大量泡沫,那么灌装时就存在同样的问题。假如灌装一次,那肯定是装不满的,假如装的次数多,一则是增加了机器运转,增加了生产成本;二则泡沫溢到瓶口和瓶身,就可能引起霉菌污染,从而影响产品的质量。

     又例如,做豆腐的过程中有一步是熬煮豆浆。豆浆中有大量蛋白质,还有一些皂苷。它们都具有表面活性,在加热搅拌的过程中能够形成大量泡沫。豆浆中含有相当多的蛋白酶抑制剂。如果没有失去活性,就会抑制蛋白酶的活性,影响人体对蛋白质的消化吸收。而皂苷具有苦涩味,含量较高的话会导致恶心呕吐。大量泡沫形成的温度大概只有七八十度,这个温度不足以让蛋白酶抑制剂和皂苷失去活性。如果不消泡,大量泡沫的产生会让温度难以继续升高。所以,消泡是一个难以避免的操作[1]。
     总结起来可以说,生产中产生的泡沫不仅影响工业生产的顺利进行,也影响产品的质量,另外还会降低设备的使用面积,增加加工时间的消耗。
     我们要消除泡沫的方法有机械消泡和化学消泡两种,机械消泡是指借助机械力将泡沫打破,或者借助压力使泡沫破裂,该方法不需要额外添加其他物质,节约原料,减少了化学试剂的污染几率,但是该方法需要一定的设备和动力,而且不能从根本上消除引起泡沫的因素。化学消泡也就是添加消泡剂,该方法与机械消泡比起来,省时省力,投资小,见效快[2]。
一、消泡剂的简述
     消泡剂是在食品加工过程中用来降低表面张力、消除泡沫的物质。泡沫是不溶性气体在外力作用下进入液体之中,形成的大量气泡被液体相互隔阻的非均相分散体系。泡沫是热力学不稳定体系,有表面积自行缩小和自行破裂的趋势。自然消泡需要时间很长,需要使用消泡剂实现快速消泡满足食品加工生产的要求。
消泡剂有很多种,成分也有很大不同。
    消泡剂主要由活性成分、乳化剂、载体和乳化助剂组成,其中活性成分是最重要的核心部分,起破泡和降低表面张力的作用;乳化剂是将活性成分分散成小颗粒,以便更好地分散在油或水中,消泡效果更好。载体在消泡剂中占很大比例,表面张力不高,主要起到支撑介质的作用,有利于消泡消泡的效果,可以降低成本;乳化助剂是为了使乳化效果更好。
     消泡剂多为液体复配产品,主要分为三类:矿物油类、有机硅类、聚醚类[3]。
     1、矿物油类消泡剂通常由载体、活性剂等组成。载体是低表面张力的物质,其作用是承载和稀释,常用载体为水、脂肪醇等;活性剂的作用是抑制和消除泡沫,常用的有蜡、脂肪族酰胺、脂肪等。
     2、有机硅类消泡剂一般包括聚二甲基硅氧烷等。有机硅类消泡剂溶解性较差,在常温下具有消泡速度很快、抑泡较好,但在高温下发生分层、消泡速度较慢、抑泡较差等特点。
     3、聚醚类消泡剂包括聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚等。聚醚类消泡剂具有抑泡时间长、效果好、消泡速度快、热稳定性好等特点。例如在果蔬饮料、豆制品、蔗糖等生产过程中就会用到消泡剂。
    消泡剂的作用可分为破泡剂、抑泡剂、脱泡剂三种类型。
    所谓破泡剂,就是在液体起泡后加入,通过吸附泡沫和表面张力的作用进入泡膜使基础变薄,可以快速破坏泡沫,降低液面。抑泡剂是能抑制泡沫产生的物质,它与液体泡沫物一起吸附在泡沫上,降低表面张力,使泡膜变薄,破损,预防泡沫现象。
   脱泡剂在液体中吸附于气泡,聚集气泡中的空气,气泡相互吸附后,在吸附界面破损形成大气泡,浮力增大提高速度,促进脱泡。
   消泡剂一般具有破泡、抑制泡沫、脱泡等多种作用。针对不同途径或原因产生的起泡所选择的消泡剂是不同的,所以消泡剂的配方筛选尤为重要。
二、消泡剂消泡的原理
      消泡剂消泡原理一:
      关于消泡剂的作用机理至今还没有统一认识,美国胶体化学家罗斯(Ross,S.)明确表示,没有任何消泡机理复盖所有消泡现象,各种复杂的消泡剂,可以应对各种消泡机理。接下啦阐述两种消泡原理。
      泡沫是气体分散于液体中的分散体系,气体是分散相,液体是分散介质,由于气体不溶于表面活性剂而形成稳定状态。气泡形成后,由于发泡体系分子间的作用,亲水基和疏水基被气泡壁吸附,形成规则排列,其亲水基朝向水相,疏水基朝向气泡内,从而在气泡界面上形成弹性膜,其稳定性很强,常态下不易破裂。同时泡沫是热力学不稳定系统,在重力作用下不断进行着液膜的下流、蒸发、破裂,以及泡沫液膜间的排液、渗透过程。
      消泡的原因主要分为两方面:1)易于铺展、吸附的消泡剂分子取代了起泡剂分子,形成了强度较差的膜;2)在铺展过程中消泡剂分子带走邻近表面层的部分溶液,使泡沫液膜变薄,泡沫稳定性降低,易于被破坏。
      从上面我们可以得知,消泡剂要发挥作用,首先必须渗入到泡膜的双层膜中,其渗入能力可用渗入系数 E 表示。消泡剂渗入后需要快速散布开来,其散布能力可用散布系数 S 表示,
式中:γF为泡沫介质的表面张力;γDF为消泡剂的表面张力;γD为泡沫介质与消泡剂之间的界面张力。当 E>0 时,消泡剂能够渗入到泡沫中;当 E<0 时,消泡剂不能渗入泡沫中;当 S>0 时,消泡剂能在液膜表面扩展;当 S <0 时,消泡剂不能在液膜表面扩展。所以,只有当 E>0,S>0 时消泡剂才具有消泡作用[4]。
消泡剂消泡原理二:
      泡沫在液体内部存在是因为气体表面吸附了表面活性物质,导致表面能降低而形成能量稳定的系统而造成的;消泡剂的原理就是改变部分气泡表面的表面活性物质的分布状态,从而改变表面张力引起这些气泡的内压发生变化,并合并到其他气泡中,形成体积更大的气泡,但是又引起新的不平衡和新的合并。这种合并的大气泡最后被浮力推出液体内部,这是一个脱泡过程;存在与液体表面的气泡在重力的作用下,气泡膜会逐渐变薄最后破裂,消泡剂的作用就是加速这个变薄并破裂的过程[5]。
三、消泡剂在食品生产中应用的标准依据
      消泡剂分为工业级消泡剂和食品级消泡剂,添加到食品当中的是对人体没有危害的食品级消泡剂,所以可以放心食用。但是作为一款食品添加剂,需要控制最高用量,添加过量的话也会对人体产生危害。使用消泡剂作为食品添加剂的商家一定要严格按照我国《GB 2760-2014 食品安全国家标准_食品添加剂使用标准》的要求去谨慎添加。工业消泡剂是严禁添加到食品中。
      目前我国许可使用的消泡剂有乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、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。
     今年化工行业原材料价格普遍上涨,一些不良商家开始打起了小算盘,比如用工业级聚二甲基硅氧烷冒充食品级聚二甲基硅氧烷;工业级乳化剂冒充食品级乳化剂;更有甚者,为了减少活性物的使用,提升产品性能,竟然将未被列入原辅料表的工业级聚醚类和有机硅聚醚类产品使用在食品级消泡剂的生产中。令人发指!
      但按国家的标准,使用一定量食品添加剂是安全,滥用食品添加剂将对身体产生危害,甚至会致癌、致畸。目前市场上违规使用的问题主要有以下4种情况:
1、 使用未经国家批准使用或禁用的添加剂品种。
2、 添加剂使用超出规定用量。
3、 添加剂使用超出规定范围。
4、 使用工业级代替食品级的添加剂
四、消泡剂行业的发展
      据纽约州奥尔巴尼数据,消泡剂市场预计在2022年至2031年的预测期内复合年增长率为4.5%。有机硅产品类型在2021年的消泡剂市场中占有突出的44.7%的份额,预计在预测期内将保持其主导地位。低表面张力、热稳定性、化学惰性和完全不溶性是使有机硅消泡剂适用于包括制药、石油和天然气以及食品和饮料在内的多个行业的有希望的特性。
      相对于销量而言,亚太地区在2021年占据了消泡剂市场34.4%的关键份额。包括制药、造纸和纸浆、食品和饮料以及纺织品在内的几个最终用途行业的快速增长为该地区消泡剂市场创造了充足的机会[6]。
五、消泡剂在食品中的应用研究[7]
      1)味精生产中的消泡剂
      味精的发酵过程属于好气性发酵,过程中产生大量的气泡,气泡的产生会降低产量、抑制菌体的呼吸作用、降低菌体的产酸率。消泡剂是抑制泡沫最经济、最简单的方法。用于味精生产中的消泡剂通常有植物油消泡剂、聚醚消泡剂、有机硅消泡剂,但是植物油消泡剂贮存不好,易变质、酸值增高,应用较少,目前聚醚类消泡剂、有机硅消泡剂在味精发酵工业中的应用较为广泛,学者们对此进行的研究也较多。
       国内学者胡廷等人将硅膏、聚醚、乳化剂、增稠剂、水等原料,经过搅拌-升温-溶解-分层-冷却操作,便得到二甲基硅油-有机硅复合消泡剂,实验最佳条件为:3000r /min 的转速下高速离心30min,75~ 85℃的条件下存放72h。将这种消泡剂用于某味精厂发酵罐,结果表明此种有机硅复合消泡剂比现在使用的植物油类消泡剂和有机硅消泡剂的效果好,对菌种没有影响、用量少、消泡速度快、消泡能力强,但是其抑泡效果一般。
      有国外学者M Stones研究了有机硅消泡剂,结果得出:由于硅是指一类具有Si -O -Si 骨干有机基团的特殊材料,是最简单的聚合物,即聚二甲基硅氧烷(硅橡胶),这些特性确保了有机硅将带着一个基团迁移到气-液相界面上的气泡内,有机硅和有机硅共聚物是高聚材料,聚二甲硅氧烷,他们可以结合起来,产生各种各样的有控制泡沫作用的控制剂,具有消泡的功能。
      李月娥等人对在味精发酵中使用的聚醚消泡剂进行了实验,结果表明聚醚的疏水基团的分子量越大,消泡效果越好,当分子量大于3000 时,这种聚醚消泡剂的消泡效果良好,分子量大于1500小于2500 时,有较好的消泡效果,而分子量小于1000 时则没有消泡效果;聚醚消泡剂的消泡效果随亲水集团含量的增加而降低,直到失去消泡效果,甚至会有助泡的作用,只有当亲水集团链的比例在一定范围内时,聚醚消泡剂才有良好的消泡效果,另外聚醚消泡剂的综合消泡能力(包括消泡和抑泡)受消泡剂浓度的影响,随浓度的增加而降低,其最佳浓度为:5%~20%。
      有学者对聚醚消泡剂的使用方法进行了改进:先在培养基中加入一定量的消泡剂,连同培养基一起加热消毒入罐。另外再将消泡剂配制成一定比例的乳状液,经消毒后,用空气保压,视发酵罐内泡沫上升情况,随时“流加”入罐,这样可有效降低消泡剂的使用量。
      2)糖生产中的消泡剂
      与味精的制造不同,制糖工艺采用浓缩结晶法,消泡剂是制糖过程中常用的工业助剂,使用的消泡剂主要有:聚甘油脂肪酸酯类(如N型)、蔗糖脂肪酸酯类、聚醚类(如PPE)和有机硅类(如F 型)等。因为聚甘油脂肪酸酯类即N 型消泡剂在煮糖过程中消泡和抑泡效果好,糖浆表面张力降低幅度大,还能加快糖晶体的沉降速度,改善糖浆过滤性能,所以聚甘油脂肪酸酯类消泡剂是目前制糖工业中用的最广泛的消泡剂。
      国内学者陈朝毅等对N 型消泡剂进行了实验,结果表明:N 型消泡剂浓度越高,消泡抑泡的效果越强,当糖浆中消泡剂的添加量达30mg /kg 时可取得满意的消泡、抑泡效果。还有专家将食品级消泡剂用在低聚异麦芽糖的制备过程中,结果表明食品级消泡剂能够抑泡、降低表面张力,而且食品级消泡剂还能阻止产品被氧化,保护成品。对不同的糖类使用的消泡剂不同,理论上,亲油亲水平衡值(HLB)在1~3 范围内的无毒表面活性剂都可作为糖厂加工使用的消泡剂,至今仍很难从理论上确定哪些表面活性剂是最好的糖用消泡剂,一般必须根据实验选定。
      国外学者K. Prabhakaran等人对蔗糖中的泡沫进行了研究,结果表明在250°C 等温条件下,有机固体泡沫在空气中进行碳化脱水,碳泡沫由此获得的烧结温度在600~1400°C,密度在115~145mg /mL,电导率在1. 510-5 至0. 2Ω–1cm–1,碳泡沫球形细胞大小范围在450 850nm,细胞是通过圆形或椭圆形窗口相互关联,大小范围在80 ~300nm。碳泡沫样品的烧结温度为1400°C,抗压强度为0. 89MPa。
     国内还有学者陈骏佳等对苷蔗糖生产加工中的消泡剂进行了研究。结果表明在全国甘蔗糖生产中使用的消泡剂有植物油类、太古油类、蔗糖脂肪酸酯类、聚甘油脂肪酸酯类(N 型消泡剂)、有机硅化合物类等。糖液中的蛋白质、胶体及类脂物等表面活性物质,容易与空气混合,在输送过程中产生泡沫,导致冒箱、冒罐、跑糖等,影响糖的产量及糖的质量,加入消泡剂是解决此问题的最简单、最直接的方法。其中蔗糖酯、N 型消泡剂消泡时间最短,为20s,而且蔗糖酯的抑泡时间最短,为21s,但是蔗糖酯生产反应复杂,不易控制,性能不稳定,水溶性差,因此N 型消泡剂是应用最多、最广泛的。
     在糖的生产过程中由于搅拌、流动、输送等操作,使糖液与空气混合,产生大量气泡,造成糖液流失,原料损失,操作困难,同时增加了能耗,影响工厂经济效益。一般消除泡沫的方法有两种:一是机械消泡法,二是化学消泡剂。化学消泡剂具有提高生产效率、增加经济效益、加快蒸发结晶速度、降低糖浆黏度等优点,在糖生产中添加化学消泡剂是常用的消除泡沫的方法。
   3)酿酒中的消泡剂
      有学者曾对酿酒过程中产生的不利因素进行研究,结果表明发酵过程中,因为搅拌、发酵而产生许多泡沫,泡沫给酒的加工带来很多不利的影响和因素,如引起“逃液”、装料减少等等,这些不利因素进一步影响酒产品产量和质量,消泡剂是抑制泡沫最简单、最经济的方法。
       国内有学者对酿酒过程中加入的消泡剂进行了研究,结果表明用植物油、月桂酸、脱水山梨醇单硬脂酸、肉豆落酸、油酸等做发酵消泡剂耗量大,消泡效果不理想;以聚二甲基硅氧烷为主体的有机硅消泡剂用于食品发酵得效果良好,发酵容量增加,产量提高;在消泡剂的作用下,发酵罐的顶盖可在工作期间一直处于关闭状态,从而降低酿液氧化作用,增高酒洁净度;因氧化作用的降低,在部分蛋白质变性状况下,酒的物理、化学稳定性很好,酒不再那么混浊;消泡剂使罐壁上酵母粉的附着度变低,同时也减轻了后清理的工作。
      由于各类食品加工工艺不同,消泡剂的效果、作用不同,学者武春梅等在测定啤酒原浓时也加入了消泡剂,并对其可行性进行了实验。实验中酒样经过了事先除气,但在蒸馏的初期仍然会产生泡沫,甚至溢出瓶口,当泡沫溢入蛇形冷却管中时,表明实验失败,因此在实验中加入微量的有机硅消泡剂。实验结果表明,啤酒原浓的测定不受消泡剂的影响,可有效降低测试时间,提高实验的成功率,并减轻检验人员的劳动强度。
引用资料:

[1] 云无心是我. 2019-02-01. 《做豆腐时添加的散泡止沸剂对人体有害吗?关于豆浆豆腐的是三个问题》

[2] 消泡剂研究院.2018-09-19《【靠谱】食品级消泡剂真靠谱么?怎么辨析!》

[3] 孙宝国.《躲不开的食品添加剂》

[4] 消泡剂研究院.2019-03-28.《消泡剂应用及原理案例》

[5] 美晨乳化剂. 2021-02-22. 《科普 | GB2760—2014中可用作消泡剂的食品添加剂》

[6] 胶友通.2022年6月1日.《消泡剂市场预测 到2031年的复合年增长率为4.5%》

[7]杨双春,张爽,赵倩茹,潘一.国内外食品消泡剂的研究进展[J].中国食品添加剂,2012(06):225-229.

Copyright © 2020 黄山市强力化工有限公司 All Rights Reserved. 皖ICP备14002662号-1