تفاوت کاراگینان با سایر پایدارکننده ها و قوام دهنده های طبیعی

در صنایعی که با مواد غذایی دارویی و آرایشی بهداشتی سروکار دارند دستیابی به بافت پایداری و قوام مطلوب محصولات از طریق استفاده از پایدارکننده ها و قوام دهنده های طبیعی و مصنوعی به یک ضرورت اساسی تبدیل شده است. در این میان کاراگینان به عنوان یک پلی ساکارید سولفاته استخراج شده از جلبک های قرمز دریایی جایگاه ویژه ای به دلیل خواص منحصربه فرد خود در مقایسه با سایر رقبای طبیعی به دست آورده است. کاراگینان نه تنها به عنوان یک قوام دهنده و غلظت دهنده عمل می کند بلکه توانایی ایجاد ژل های برگشت پذیر حرارتی و پایداری امولسیون ها و سوسپانسیون ها را نیز داراست خصوصیاتی که آن را از بسیاری از پایدارکننده های طبیعی دیگر متمایز می سازد.

تعریف کاراگینان

کاراگینان دسته ای از پلی ساکاریدهای خطی سولفاته است که از دیواره سلولی جلبک های قرمز دریایی خانواده Rhodophyceae استخراج می شود. این پلیمرها از واحدهای تکرارشونده D-گالاکتوپیرانوز و ۳,۶-آنهیدرو-D-گالاکتوپیرانوز تشکیل شده اند که به وسیله پیوندهای گلیکوزیدی β-۱,۴ و α-۱,۳ به هم متصل شده اند. تفاوت اصلی کاراگینان با سایر پایدارکننده ها و قوام دهنده های طبیعی در ساختار شیمیایی و نوع گروه های عاملی موجود در زنجیره پلیمری آن نهفته است. حضور گروه های سولفات در ساختار کاراگینان خواص آنیونی به آن می بخشد و بر برهم کنش های الکترواستاتیکی آن با سایر اجزای فرمولاسیون به ویژه پروتئین ها تاثیرگذار است.

در مقابل بسیاری از پایدارکننده ها و قوام دهنده های طبیعی دیگر مانند صمغ گوار صمغ زانتان پکتین و نشاسته ساختارهای شیمیایی متفاوتی دارند. صمغ گوار و صمغ زانتان پلی ساکاریدهای غیر یونی هستند و عمدتاً از واحدهای قندی مختلفی تشکیل شده اند که فاقد گروه های سولفات هستند. پکتین نیز یک پلی ساکارید اسیدی است که عمدتاً از اسید گالاکتورونیک تشکیل شده و دارای گروه های کربوکسیلیک اسیدی است. نشاسته نیز یک پلی ساکارید گلوکان است که از واحدهای گلوکز تشکیل شده و فاقد گروه های سولفات یا کربوکسیلیک اسیدی است.

عملکرد فنی کاراگینان به توانایی آن در افزایش ویسکوزیته تشکیل ژل و پایداری سیستم های پراکنده (امولسیون ها و سوسپانسیون ها) مرتبط است. این عملکرد از طریق مکانیسم های زیر اعمال می شود :

• افزایش ویسکوزیته : زنجیره های پلیمری کاراگینان در آب حل شده و با جذب مولکول های آب حجم خود را افزایش می دهند. این امر منجر به افزایش مقاومت در برابر جریان و در نتیجه افزایش ویسکوزیته سیستم می شود. این مکانیسم مشابه عملکرد سایر قوام دهنده های طبیعی مانند صمغ گوار و صمغ زانتان است اما کاراگینان به دلیل ساختار منحصربه فرد خود می تواند در غلظت های پایین تر ویسکوزیته قابل توجهی ایجاد کند.
• تشکیل ژل : کاراگینان به ویژه انواع kappa و iota آن توانایی تشکیل ژل های برگشت پذیر حرارتی را دارند. این ژل ها از طریق برهم کنش های بین مولکولی زنجیره های کاراگینان و تشکیل شبکه های سه بعدی ایجاد می شوند. نوع ژل تشکیل شده (سفت الاستیک شکننده) به نوع کاراگینان غلظت حضور یون های خاص (مانند پتاسیم و کلسیم) و دما بستگی دارد. این ویژگی تشکیل ژل برگشت پذیر حرارتی کاراگینان را از بسیاری از پایدارکننده های طبیعی دیگر که عمدتاً فقط ویسکوزیته را افزایش می دهند متمایز می کند.
• پایداری سیستم های پراکنده : کاراگینان به دلیل خواص آنیونی و توانایی ایجاد لایه محافظ در اطراف ذرات پراکنده می تواند به پایداری امولسیون ها و سوسپانسیون ها کمک کند. برهم کنش های الکترواستاتیکی بین کاراگینان و ذرات دارای بار مثبت (مانند پروتئین ها) می تواند از تجمع و رسوب ذرات جلوگیری کند. همچنین افزایش ویسکوزیته محیط پراکنده به کاهش سرعت رسوب گذاری ذرات سنگین تر کمک می کند. در مقایسه صمغ زانتان نیز به دلیل ایجاد ویسکوزیته بالا پایداری سوسپانسیون ها را بهبود می بخشد اما کاراگینان به دلیل خاصیت آنیونی خود در سیستم های حاوی پروتئین عملکرد بهتری از خود نشان می دهد.

کارکرد کاراگینان

کاراگینان به طور کلی به سه نوع اصلی تقسیم می شود : kappa (κ) iota (ι) و lambda (λ). این سه نوع کاراگینان از نظر درجه سولفاتاسیون و حضور گروه های ۳,۶-آنهیدروگالاکتوز در ساختار خود با یکدیگر تفاوت دارند که این تفاوت ها خواص فیزیکی و عملکردی آن ها را تحت تاثیر قرار می دهد.

• Kappa-کاراگینان : این نوع کاراگینان دارای کمترین درجه سولفاتاسیون و بالاترین میزان ۳,۶-آنهیدروگالاکتوز است. Kappa-کاراگینان در حضور یون های پتاسیم (K+) ژل های سخت و شکننده تشکیل می دهد. این نوع ژل ها برگشت پذیر حرارتی هستند به این معنی که با گرم شدن ذوب شده و با سرد شدن دوباره تشکیل می شوند. مکانیسم تشکیل ژل Kappa-کاراگینان شامل تشکیل مارپیچ های دوگانه از زنجیره های پلیمری و سپس تجمع این مارپیچ ها به وسیله یون های پتاسیم است. یون های پتاسیم با خنثی سازی بارهای منفی گروه های سولفات از دافعه الکترواستاتیکی بین زنجیره ها کاسته و امکان تجمع و تشکیل شبکه را فراهم می کنند.
• Iota-کاراگینان : این نوع کاراگینان دارای درجه سولفاتاسیون متوسط و میزان ۳,۶-آنهیدروگالاکتوز متوسط است. Iota-کاراگینان در حضور یون های کلسیم (Ca۲+) ژل های نرم و الاستیک تشکیل می دهد. ژل های Iota-کاراگینان نیز برگشت پذیر حرارتی هستند اما نسبت به ژل های Kappa-کاراگینان مقاومت بیشتری در برابر سینرزیس (آب اندازی) دارند. مکانیسم تشکیل ژل Iota-کاراگینان مشابه Kappa-کاراگینان است با این تفاوت که یون های کلسیم نقش اتصال عرضی بین مارپیچ های دوگانه را ایفا می کنند و ژل های الاستیک تری را ایجاد می کنند.
• Lambda-کاراگینان : این نوع کاراگینان دارای بالاترین درجه سولفاتاسیون و کمترین میزان ۳,۶-آنهیدروگالاکتوز است. Lambda-کاراگینان ژل تشکیل نمی دهد و عمدتاً به عنوان قوام دهنده و پایدارکننده در سیستم های آبی استفاده می شود. به دلیل درجه سولفاتاسیون بالا Lambda-کاراگینان بار منفی بسیار زیادی دارد و برهم کنش های قوی با پروتئین ها از خود نشان می دهد. این خاصیت آن را به یک پایدارکننده موثر در سیستم های حاوی پروتئین مانند محصولات لبنی تبدیل می کند.

اصول کارکرد کاراگینان در هر سه نوع بر پایه برهم کنش های بین مولکولی زنجیره های پلیمری و برهم کنش با محیط اطراف استوار است. عواملی مانند غلظت کاراگینان دما pH نوع و غلظت یون های موجود و حضور سایر اجزا (مانند پروتئین ها و قندها) بر عملکرد کاراگینان تاثیرگذار هستند. به عنوان مثال افزایش دما معمولاً منجر به کاهش ویسکوزیته و ذوب شدن ژل می شود در حالی که کاهش دما باعث افزایش ویسکوزیته و تشکیل ژل می گردد. pH محیط نیز بر بار الکتریکی زنجیره های کاراگینان و در نتیجه بر برهم کنش های آن با سایر اجزا تاثیر می گذارد. حضور یون های خاص به ویژه کاتیون های چند ظرفیتی مانند پتاسیم و کلسیم نقش کلیدی در تشکیل ژل دارند.

کاربردهای کاراگینان

کاراگینان به دلیل خواص چندمنظوره خود کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد از جمله :

• صنایع غذایی : کاراگینان به طور گسترده در صنایع غذایی به عنوان قوام دهنده ژل کننده پایدارکننده و غلظت دهنده استفاده می شود. مثال های کاربردی عبارتند از :
• محصولات لبنی : کاراگینان به عنوان پایدارکننده در شیر شکلات بستنی ماست پنیر خامه ای و دسرهای لبنی استفاده می شود تا از جدا شدن فازها رسوب گذاری ذرات کاکائو و سینرزیس جلوگیری کند و بافت و قوام مطلوب را ایجاد کند. به عنوان مثال در شیر شکلات کاراگینان با پروتئین های شیر برهم کنش داده و یک شبکه سه بعدی تشکیل می دهد که ذرات کاکائو را معلق نگه داشته و از رسوب آن ها جلوگیری می کند.
• محصولات گوشتی و فرآورده های گوشتی : کاراگینان به عنوان قوام دهنده و ژل کننده در سوسیس کالباس ژامبون و سایر فرآورده های گوشتی به منظور بهبود بافت افزایش ظرفیت نگهداری آب و کاهش سینرزیس استفاده می شود. کاراگینان با جذب آب و تشکیل ژل بافت محصول را بهبود بخشیده و از خشک شدن و کاهش وزن آن در طول نگهداری جلوگیری می کند.
• نوشیدنی ها : کاراگینان به عنوان پایدارکننده و غلظت دهنده در نوشیدنی های میوه ای آبمیوه ها نوشیدنی های انرژی زا و نوشیدنی های گیاهی استفاده می شود تا ویسکوزیته را افزایش داده ذرات معلق را پایدار کرده و از رسوب گذاری جلوگیری کند. در نوشیدنی های میوه ای پالپ دار کاراگینان به حفظ یکنواختی پراکندگی پالپ کمک می کند.
• محصولات قنادی و نانوایی : کاراگینان به عنوان قوام دهنده و ژل کننده در ژله ها مرباها مارمالادها پودینگ ها و فیلینگ های کیک و شیرینی استفاده می شود تا بافت و قوام مطلوب را ایجاد کند و سینرزیس را کاهش دهد.
• محصولات گیاهی و وگان : با افزایش تقاضا برای محصولات گیاهی و وگان کاراگینان به عنوان جایگزینی برای ژلاتین حیوانی در بسیاری از محصولات مانند پاستیل های گیاهی دسرهای وگان و جایگزین های گوشت وگان به کار می رود.
• صنایع دارویی : کاراگینان در صنایع دارویی به عنوان قوام دهنده ژل کننده عامل رهش دارو و پوشش دهنده کپسول استفاده می شود. مثال های کاربردی عبارتند از :
• تهیه سوسپانسیون ها و امولسیون های دارویی : کاراگینان به عنوان پایدارکننده و غلظت دهنده در فرمولاسیون های مایع دارویی استفاده می شود تا ویسکوزیته را افزایش داده از رسوب گذاری ذرات دارو جلوگیری کرده و پایداری فرمولاسیون را بهبود بخشد.
• تهیه ژل های دارویی موضعی : کاراگینان به عنوان ژل کننده در تهیه ژل های دارویی موضعی برای کاربردهای پوستی و مخاطی استفاده می شود. ژل های کاراگینان به دلیل زیست سازگاری و خواص رطوبت رسانی گزینه های مناسبی برای رساندن دارو به صورت موضعی هستند.
• پوشش دهی قرص ها و کپسول ها : کاراگینان به عنوان پوشش دهنده در قرص ها و کپسول ها برای کنترل رهش دارو و محافظت از دارو در برابر محیط معده استفاده می شود.
• مهندسی بافت و پزشکی بازساختی : کاراگینان به دلیل زیست سازگاری و قابلیت ژل شدن در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی به عنوان داربست های سه بعدی برای کشت سلول و ترمیم بافت مورد مطالعه قرار گرفته است.
• صنایع آرایشی و بهداشتی : کاراگینان در صنایع آرایشی و بهداشتی به عنوان قوام دهنده ژل کننده امولسیون کننده و مرطوب کننده استفاده می شود. مثال های کاربردی عبارتند از :
• کرم ها و لوسیون ها : کاراگینان به عنوان قوام دهنده و امولسیون کننده در کرم ها و لوسیون های پوست و مو استفاده می شود تا ویسکوزیته را افزایش داده بافت محصول را بهبود بخشیده و پایداری امولسیون را افزایش دهد.
• ماسک های صورت و بدن : کاراگینان به عنوان ژل کننده و مرطوب کننده در ماسک های صورت و بدن استفاده می شود تا بافت ژلی مطلوب را ایجاد کرده و رطوبت پوست را حفظ کند.
• شامپوها و نرم کننده ها : کاراگینان به عنوان قوام دهنده و حالت دهنده در شامپوها و نرم کننده ها استفاده می شود تا ویسکوزیته را افزایش داده بافت محصول را بهبود بخشیده و حالت پذیری مو را افزایش دهد.
• خمیردندان ها : کاراگینان به عنوان قوام دهنده و بافت دهنده در خمیردندان ها استفاده می شود تا ویسکوزیته را افزایش داده و بافت کرمی و یکنواخت را ایجاد کند.
• سایر صنایع : کاراگینان در صنایع دیگری مانند کشاورزی (به عنوان عامل پوشش دهنده بذر و عامل رهش کود) نساجی (به عنوان عامل چاپ پارچه) و کاغذسازی (به عنوان عامل مقاوم سازی کاغذ) نیز کاربردهای محدودی دارد.

نتیجه گیری

کاراگینان به عنوان یک پلی ساکارید طبیعی با خواص چندمنظوره جایگاه ویژه ای در صنایع غذایی دارویی و آرایشی بهداشتی به دست آورده است. ساختار شیمیایی منحصربه فرد و حضور گروه های سولفات در زنجیره پلیمری به آن خواصی متمایز از سایر پایدارکننده ها و قوام دهنده های طبیعی می بخشد. توانایی افزایش ویسکوزیته تشکیل ژل های برگشت پذیر حرارتی و پایداری سیستم های پراکنده کاراگینان را به یک افزودنی ارزشمند در فرمولاسیون های مختلف تبدیل کرده است.

با این حال کاراگینان دارای محدودیت های فنی نیز می باشد از جمله حساسیت به یون های چند ظرفیتی ناپایداری در pH پایین و برهم کنش با پروتئین ها. برای استفاده بهینه از کاراگینان انتخاب نوع مناسب کنترل غلظت تنظیم pH مدیریت یون ها و ترکیب با سایر افزودنی ها ضروری است. فناوری های پیشرفته در زمینه استخراج اصلاح ساختار و کاربرد کاراگینان پتانسیل بهبود خواص عملکردی و گسترش کاربردهای آن را ارائه می دهند.

در مجموع کاراگینان به عنوان یک پایدارکننده و قوام دهنده طبیعی موثر و ایمن همچنان نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا خواهد کرد و با توسعه فناوری های جدید کاربردهای آن در آینده گسترده تر خواهد شد.

بخش پرسش و پاسخ

۱. آیا مصرف کاراگینان برای سلامتی مضر است؟

پاسخ : سازمان های ایمنی غذایی بین المللی مانند FDA EFSA و JECFA کاراگینان با وزن مولکولی بالا را به عنوان یک افزودنی غذایی ایمن در سطوح مصرف معمول تایید کرده اند. نگرانی های مطرح شده در مورد اثرات التهابی کاراگینان عمدتاً مربوط به کاراگینان دگرگون شده (degraded carrageenan) با وزن مولکولی پایین است که ممکن است در شرایط خاص (pH اسیدی و دمای بالا) تشکیل شود. با این حال مصرف کاراگینان با وزن مولکولی بالا در مقادیر معمول غذایی به طور کلی ایمن تلقی می شود. توصیه می شود از مصرف بیش از حد محصولات حاوی کاراگینان دگرگون شده خودداری شود.

۲. چه جایگزین های طبیعی برای کاراگینان وجود دارد؟

پاسخ : بسته به نوع کاربرد و خواص عملکردی مورد نظر جایگزین های طبیعی مختلفی برای کاراگینان وجود دارد. برخی از این جایگزین ها عبارتند از : صمغ گوار صمغ زانتان پکتین صمغ عربی صمغ دانه اقاقیا نشاسته اصلاح شده سلولز و مشتقات سلولز (مانند کربوکسی متیل سلولز یا CMC) ژلاتین (حیوانی و گیاهی مانند آگار و آگارز). هر یک از این جایگزین ها دارای خواص و محدودیت های خاص خود هستند و انتخاب جایگزین مناسب به نوع محصول شرایط فرآوری و الزامات قانونی بستگی دارد. به عنوان مثال صمغ زانتان به دلیل ایجاد ویسکوزیته بالا و پایداری در برابر شرایط مختلف می تواند جایگزین مناسبی برای قوام دهندگی باشد اما فاقد خاصیت ژل کنندگی کاراگینان است.

۳. چگونه می توان کاراگینان را در فرمولاسیون های غذایی بهینه کرد؟

پاسخ : بهینه سازی کاراگینان در فرمولاسیون های غذایی نیازمند توجه به عوامل مختلفی است از جمله : انتخاب نوع مناسب کاراگینان بر اساس کاربرد مورد نظر کنترل دقیق غلظت کاراگینان تنظیم pH محیط برای جلوگیری از هیدرولیز مدیریت یون های چند ظرفیتی برای کنترل تشکیل ژل ترکیب کاراگینان با سایر پایدارکننده ها و قوام دهنده ها برای بهبود خواص عملکردی استفاده از فناوری های پردازش پیشرفته برای بهبود انحلال پذیری و پراکندگی و انجام آزمون های فرمولاسیون و ارزیابی حسی برای اطمینان از دستیابی به بافت قوام و پایداری مطلوب. انجام آزمایش های تجربی و بهینه سازی فرمولاسیون بر اساس ویژگی های محصول نهایی کلید دستیابی به بهترین نتیجه از کاراگینان در فرمولاسیون های غذایی است.