1. المقدمة
ينتج الزبادي عن تخمير اللاكتوز الموجود في الحليب بواسطة بكتيريا حمض اللاكتيك. أثناء التخمير، يؤدي إنتاج حمض اللاكتيك إلى انخفاض قيمة pH وتغيير بنية بروتينات الحليب، وخاصة الكازين. بالقرب من نقطة التعادل الكهربي للكازين، أي عند قيمة pH تبلغ نحو 4/6، تزداد التفاعلات بين ميسيلات الكازين وتتكوّن شبكة هلامية ثلاثية الأبعاد.
في الزبادي المخفوق، وعلى خلاف الزبادي المتماسك في القالب، تخضع الشبكة الهلامية المتكوّنة بعد التخمير لعمليات الخفق أو التصفية أو التجانس. تعمل هذه العمليات على تفكيك بنية الجل وتحويلها إلى جزيئات جل أصغر ضمن طور مصلي مستمر. لذلك يمكن اعتبار بنية الزبادي المخفوق نوعًا من معلّق من الميكروجيلات البروتينية في الطور المصلي .
تُعد هذه البنية مناسبة لإيجاد خصائص مثل النعومة، وقابلية تناول المنتج بالملعقة، واللزوجة المناسبة، والإحساس الكريمي المرغوب، إلا أنها في حال عدم التحكم بها قد تكون عرضة لانفصال الماء. ويُعد انفصال الماء أحد أهم عيوب جودة الزبادي، ويظهر على شكل تجمع أو خروج المصل على سطح المنتج.
ومن الأساليب المهمة للتحكم في هذه الظاهرة استخدام المثبّتات أو عوامل التثبيت.
2. مفهوم المثبّت وآلية عمله في الزبادي
المثبّتات هي مجموعة من المواد التي تُضاف إلى المنتجات الغذائية بهدف تحسين الثبات الفيزيائي، والتحكم في الماء الحر، وزيادة القوام، وتنظيم الخصائص الريولوجية.
في الزبادي، تنتمي العديد من المثبّتات المستخدمة إلى مجموعة الهيدروكولويدات. وهذه المركبات عادةً ما تكون عديدات سكاريد أو بروتينات تتمتع بالقدرة على امتصاص الماء أو الاحتفاظ به.
يمكن تقسيم آلية عمل المثبّتات إلى عدة مسارات رئيسية:
- زيادة قدرة الاحتفاظ بالماء
- زيادة لزوجة الطور المصلي
- تقوية أو إنشاء شبكة بوليمرية
- التفاعل مع بروتينات الحليب
- تقليل حركة الماء الحر
- منع التجمّع المفرط لجزيئات الجل
- تحسين ثبات البنية أثناء التخزين
في الواقع، لا يتمثل الهدف الأساسي للمثبّت بالضرورة في إنشاء جل مستقل؛ بل يتمثل في العديد من التركيبات في إيجاد توازن بين شبكة بروتين الكازين، والطور المصلي، والبوليمر المضاف .
3. دور المثبّتات في التحكم في انفصال الماء
3-1. تعريف انفصال الماء
يُقصد بانفصال الماء أو Syneresis خروج الطور السائل من شبكة الجل. في الزبادي، تظهر هذه الظاهرة عادةً من خلال خروج المصل وتكوّن طبقة من السائل على سطح المنتج.
يمكن أن تتعرض شبكة البروتين في الزبادي مع مرور الوقت لإعادة ترتيب وانكماش. ونتيجة لذلك، يتحرر جزء من الماء الموجود داخل الشبكة ويخرج من البنية على شكل مصل. وفي الزبادي المخفوق، تؤدي العمليات الميكانيكية أيضًا إلى تدمير البنية الأولية للجل وزيادة حساسية المنتج لانفصال المصل.
3-2. دور المثبّت في تقليل انفصال الماء
تعمل المثبّتات على زيادة ارتباط الماء وتقليل كمية الماء الحر، مما يقلل من احتمالية خروج المصل. كما تؤدي زيادة لزوجة الطور المستمر إلى تقليل حركة الماء داخل المنتج.
فعلى سبيل المثال، يمكن للجيلاتين والنشا وبعض أنواع الصموغ أن تحتفظ بالماء داخل مصفوفة المنتج من خلال تكوين بنيات محبة للماء.
ومع ذلك، لا تكون تأثيرات جميع الهيدروكولويدات متطابقة. فقد أظهرت الدراسات أن نوع الهيدروكولويد وتركيزه يمكن أن يُحدثا فرقًا ملحوظًا في انفصال الماء. فعلى سبيل المثال، في دراسة مقارنة، تمكن الجيلاتين من تقليل انفصال الماء وزيادة قوام ولزوجة الزبادي قليل الدسم في الوقت نفسه، بينما أدت بعض المعاملات المحتوية على الزانثان والكاراجينان، رغم زيادة اللزوجة والقوة، إلى زيادة انفصال الماء وإحداث إحساس فموي غير مرغوب فيه في بعض الظروف.
4. دور المثبّتات في زيادة اللزوجة
تُعد اللزوجة أحد أهم مؤشرات الجودة في الزبادي المخفوق. فالمنتج ذو اللزوجة المنخفضة جدًا يبدو مائيًا وخفيفًا عادةً، بينما يمكن أن تؤدي اللزوجة المفرطة إلى منتج ثقيل أو لاصق أو غير طبيعي.
تعمل الهيدروكولويدات على زيادة لزوجة الطور المصلي، مما يزيد مقاومة المنتج للجريان. ويعتمد هذا التأثير على عوامل مثل:
- الوزن الجزيئي للهيدروكولويد؛
- التركيز؛
- درجة المحبة للماء؛
- البنية الجزيئية؛
- درجة الحرارة؛
- pH؛
- وجود الأملاح والبروتينات؛
- والتفاعل بين الهيدروكولويد ومكونات الحليب
. فعلى سبيل المثال، حظي صمغ الزانثان والغوار باهتمام كبير بسبب قدرتهما العالية على زيادة اللزوجة حتى عند التراكيز المنخفضة نسبيًا. وفي إحدى الدراسات، أدى استخدام الزانثان والغوار إلى تحسين اللزوجة، وقدرة الاحتفاظ بالماء، وبنية الزبادي، وفي ظروف الدراسة أظهر الزانثان بتركيز 0/5 بالمائة أداءً مناسبًا في تقليل انفصال الماء.
5. تأثير المثبّتات على قوام وقوة الزبادي
ينتج قوام الزبادي عن تفاعل معقد بين البنية البروتينية، والمادة الجافة، والدهون، والماء، والمركبات الهيدروكولويدية.
يمكن أن تؤدي إضافة المثبّت إلى:
- زيادة مقاومة الجل؛
- تحسين قدرة الاحتفاظ بالماء؛
- جعل بنية جزيئات الجل أكثر ثباتًا؛
- زيادة اللزوجة؛
- وتعزيز الإحساس بالسماكة والقوام.
ومع ذلك، فإن زيادة القوام بشكل مفرط لا تعني بالضرورة زيادة الجودة. فعلى سبيل المثال، أظهرت الأبحاث المتعلقة بالنشا في الزبادي المخفوق أن زيادة طور النشا يمكن أن تؤدي في البداية إلى زيادة اللزوجة، ومعامل المرونة، وخصائص مثل السماكة والقوة، ولكن عند المستويات الأعلى قد تؤدي إلى تكوين بنية شديدة الالتصاق ومطاطية.
لذلك، فإن التركيز الأمثل للمثبّت له أهمية كبيرة.
6. تأثير المثبّتات على البنية المرغوبة
تتضمن بنية الزبادي من وجهة نظر المستهلك مجموعة من الخصائص، من بينها:
- الصلابة؛
- النعومة؛
- القوام الكريمي؛
- السماكة؛
- التجانس؛
- الالتصاق؛
- قابلية تناول المنتج بالملعقة؛
- والإحساس الفموي.
ترتبط البنية المجهرية للزبادي ارتباطًا مباشرًا بهذه الخصائص. ففي الزبادي المخفوق، يؤثر حجم وشكل وتجمّع وتراص الميكروجيلات البروتينية، إلى جانب خصائص الطور المصلي، في البنية والسلوك الريولوجي.
يجب أن يكون المثبّت المناسب قادرًا على تقوية البنية دون إحداث إحساس اصطناعي أو هلامي.
7. دراسة دور أهم أنواع المثبّتات
7-1. الجيلاتين
الجيلاتين هو هيدروكولويد بروتيني يتمتع بالقدرة على تكوين الجل وربط الماء.
في الزبادي، يمكن للجيلاتين أن:
- يقلل انفصال الماء؛
- يزيد اللزوجة؛
- يرفع قوة الجل؛
- يحسن البنية؛
- ويُوجد إحساسًا كريميًا وناعمًا.
أظهرت الدراسات المقارنة أن الجيلاتين يمكن أن يكون له تأثير ملحوظ في الزبادي قليل الدسم على تقليل انفصال الماء وتحسين خصائص البنية واللزوجة.
7-2. النشا
النشا أحد أكثر مواد زيادة القوام استخدامًا في الصناعات الغذائية. وفي الزبادي، يمكن للنشا أن يؤدي من خلال امتصاص الماء وانتفاخ الحبيبات إلى زيادة اللزوجة والقوام.
من مزايا النشا:
- زيادة السماكة؛
- زيادة اللزوجة؛
- تحسين البنية؛
- تقليل الماء الحر؛
- والتكلفة المنخفضة نسبيًا
ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الكمية المفرطة من النشا إلى تكوين بنية شديدة الالتصاق أو ثقيلة أو مطاطية. وتُظهر الدراسات البنيوية أن زيادة طور النشا حتى نطاق محدد تؤدي إلى تحسين الخصائص الفيزيائية والحسية، ولكن بعد تجاوز مستوى أمثل يمكن أن تنخفض جودة البنية.
7-3. البكتين
البكتين هو عديد سكاريد نباتي يُستخدم في المنتجات اللبنية بسبب قدرته على التفاعل مع الماء وبعض مكونات الحليب.
يمكن أن يساهم البكتين في:
- التحكم في انفصال الماء؛
- زيادة القوام؛
- زيادة اللزوجة؛
- وتكوين بنية متجانسة
. ومع ذلك، تعتمد فعاليته على نوع البكتين، ودرجة الأسترة، وpH، وتركيب المنتج.
أظهرت بعض الدراسات أن المثبّتات الأنيونية مثل البكتين والكاراجينان قد يكون لها تأثير غير مرغوب فيه على البنية والتقبل الحسي في بعض تركيبات الزبادي؛ ولذلك يجب استخدامها مع مراعاة ظروف التركيبة.
7-4. صمغ الغوار
صمغ الغوار هو عديد سكاريد يتمتع بقدرة عالية على زيادة اللزوجة.
ومن أهم تأثيراته:
- زيادة اللزوجة؛
- زيادة القوام؛
- زيادة قدرة الاحتفاظ بالماء؛
- تقليل حركة الطور المصلي؛
- وتحسين الثبات الفيزيائي.
وفي حال استخدامه بكميات مفرطة، قد يؤدي الغوار إلى إنتاج منتج شديد السماكة والالتصاق.
7-5. صمغ الزانثان
يحظى الزانثان باهتمام في تركيبات المنتجات اللبنية بسبب قدرته على زيادة اللزوجة وثباته المناسب ضمن نطاق واسع من ظروف pH ودرجة الحرارة.
في الزبادي يمكن أن يؤدي إلى:
- زيادة اللزوجة؛
- زيادة قدرة الاحتفاظ بالماء؛
- تحسين القوام؛
- وتقليل انفصال المصل
. ولكن، كما هو الحال مع الهيدروكولويدات الأخرى، فإن استخدامه بكميات مفرطة قد يؤدي إلى تكوين بنية غير طبيعية وإحساس فموي غير مرغوب فيه.
7-6. الكاراجينان
الكاراجينان هو عديد سكاريد مُكبْرَت يتمتع بالقدرة على تكوين البنية وزيادة القوام.
يمكن لهذا المركب أن يتفاعل مع بروتينات الحليب ويؤثر في بنية الجل. ومع ذلك، وكما هو الحال مع الهيدروكولويدات الأخرى، فإن زيادة اللزوجة أو القوة وحدها ليست معيارًا كافيًا لاختيار الكاراجينان؛ إذ إن زيادة كميته في بعض التركيبات قد تؤثر سلبًا في انفصال الماء والخصائص الحسية.
8. مقارنة أداء المثبّتات المختلفة
| المثبّت | زيادة اللزوجة | التحكم في انفصال الماء | زيادة القوام | التأثير على البنية |
|---|---|---|---|---|
| الجيلاتين | ناعم وكريمي | |||
| النشا | سميك وكثيف | |||
| الغوار | قد يصبح لاصقًا | |||
| الزانثان | قد يصبح لزجًا قليلًا | |||
| البكتين | متجانس نسبيًا | |||
| الكاراجينان | قد يصبح هلاميًا |
هذا الجدول يمثل مقارنة نوعية، ويعتمد الأداء الفعلي لكل مثبّت على نوع المادة، ودرجة النقاء، والتركيز، وتركيب الحليب، وpH، والمعالجة الحرارية، وظروف العملية.
9. أهمية الجمع بين عدة مثبّتات
أحد الأساليب المهمة في صناعات الألبان هو استخدام أنظمة مركبة من المثبّتات.
يعود السبب في ذلك إلى اختلاف أداء كل مثبّت. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحتوي تركيبة ما على:
- مكوّن لربط الماء،
- ومكوّن لزيادة اللزوجة،
- ومكوّن لتقوية البنية
. وبهذه الطريقة يمكن تحقيق أداء أفضل باستخدام كمية أقل من كل مادة.
كما تؤكد الدراسات الحديثة أهمية دراسة تركيبات الهيدروكولويدات وتأثيراتها التآزرية، لأن اختيار هيدروكولويد منفرد ليس دائمًا أفضل طريقة لتحقيق الخصائص الريولوجية والبنيوية والحسية المرغوبة في الوقت نفسه.
10. ارتباط المثبّت بظروف العملية
لا يمكن دراسة أداء المثبّت بشكل مستقل عن عملية إنتاج الزبادي.
10-1. المعالجة الحرارية
يمكن أن تؤدي زيادة شدة المعالجة الحرارية للحليب إلى زيادة تمسخ بروتينات مصل اللبن وتفاعلها مع الكازين، وبالتالي التأثير في اللزوجة والقوة وانفصال الماء. وترتبط المعالجة الحرارية الأكثر شدة في بعض الظروف بزيادة اللزوجة وتقليل انفصال الماء.
10-2. التجانس
يمكن للتجانس المناسب أن يقلل حجم كريات الدهون ويؤثر في البنية النهائية للجل.
10-3. الخفق
يُعد الخفق ضروريًا لإنتاج الزبادي المخفوق، إلا أن تطبيق إجهاد ميكانيكي مفرط يمكن أن يؤدي إلى تدمير شبكة الجل بدرجة كبيرة.
10-4. درجة حرارة التصفية والتبريد
كما أن درجة حرارة المعالجة بعد التخمير لها أهمية كبيرة. فقد أظهرت الدراسات أن درجة حرارة التصفية وظروف التبريد يمكن أن تؤثر بشكل ملحوظ في لزوجة وقوام وانفصال الماء في الزبادي المخفوق.
لذلك، حتى أفضل نظام مثبّت لا يؤدي بالضرورة إلى إنتاج منتج مرغوب عند استخدامه مع ظروف عملية غير مناسبة.
11. العلاقة بين بروتين الحليب والمثبّت
من النقاط المهمة في تصميم تركيبة الزبادي أن المثبّت لا ينبغي اعتباره بديلًا كاملًا للبروتين.
تؤدي زيادة المادة الجافة والبروتين والدهون في الحليب عادةً إلى زيادة اللزوجة وقدرة الاحتفاظ بالماء. كما يمكن أن يؤثر تغيير نسبة الكازين إلى بروتين مصل اللبن في بنية الجل وخصائصه.
لذلك، يجب تحقيق توازن في التركيبة المناسبة بين:
.
12. المثبّتات في إنتاج الزبادي قليل الدسم
تزداد أهمية المثبّتات في الزبادي قليل الدسم، لأن إزالة جزء من الدهون يمكن أن تؤدي إلى انخفاض الإحساس الكريمي، وانخفاض السماكة، وتغيير خصائص البنية.
في هذه الظروف، يمكن للهيدروكولويدات أن تعوّض جزءًا من الدور الفيزيائي للدهون من خلال:
- زيادة اللزوجة؛
- زيادة السماكة؛
- تحسين التزليق الفموي؛
- زيادة ترطيب البنية؛
- وتقليل انفصال الماء
. ولهذا السبب، تتمتع الجيلاتين والنشا وغيرها من الهيدروكولويدات بأهمية خاصة في تطوير الزبادي قليل الدسم.
13. القيود والعيوب الناتجة عن استخدام المثبّتات
على الرغم من أن استخدام المثبّت يمكن أن يحسن جودة الزبادي، فإن الاستخدام غير المناسب يمكن أن يسبب مشكلات.
تشمل أهم المشكلات المحتملة:
- تكوين بنية هلامية؛
- زيادة الالتصاق بشكل مفرط؛
- إحساس باللزوجة في الفم؛
- تكوين حبيبات أو كتل؛
- انخفاض طبيعية البنية؛
- تكوين طعم أو رائحة غير مرغوب فيها في بعض التركيبات؛
- زيادة اللزوجة بشكل مفرط؛
- وانخفاض القبول الحسي.
كما يميل بعض المستهلكين إلى المنتجات ذات الملصقات الأبسط وعدد الإضافات الأقل؛ ولذلك تزداد أهمية استخدام الحد الأدنى الفعّال من المثبّت من منظور التركيبة والتسويق.
14. الخلاصة
تُعد المثبّتات إحدى الأدوات المهمة في التحكم في الجودة الفيزيائية والريولوجية للزبادي المخفوق. ويمكن لهذه المركبات من خلال زيادة قدرة الاحتفاظ بالماء، وزيادة لزوجة الطور المستمر، وإنشاء أو تقوية البنية البوليمرية، والتفاعل مع مكونات الحليب، أن تقلل انفصال الماء وتحسن قوام المنتج وبنيته.
ومع ذلك، لا يمكن اعتبار أي مثبّت الخيار الأفضل بشكل مطلق لجميع أنواع الزبادي. إذ يعتمد أداء كل مادة على نوعها وتركيزها، وتركيب الحليب، وكمية البروتين والمادة الجافة، والمعالجة الحرارية، وظروف التخمير، وشدة الخفق، ودرجة حرارة العملية، وظروف التخزين.
تشير الأدلة البحثية إلى أن الجيلاتين يمكن في بعض التركيبات أن يقلل انفصال الماء ويحسن في الوقت نفسه خصائص البنية واللزوجة، بينما يعمل النشا بدرجة أكبر كمادة لزيادة القوام واللزوجة. كما يتمتع صمغا الغوار والزانثان بقدرة عالية على زيادة اللزوجة والاحتفاظ بالماء، إلا أن زيادتهما المفرطة قد تؤدي إلى تكوين بنية غير مرغوب فيها.
ويمكن استخدام البكتين والكاراجينان أيضًا للتحكم في البنية بسبب قدرتهما على التفاعل مع مكونات الحليب، إلا أن اختيار الكمية المناسبة منهما أمر ضروري.
في النهاية، يتمثل النهج العلمي في إنتاج زبادي مخفوق عالي الجودة في تحسين التركيبة والعملية في الوقت نفسه؛ بحيث يتمتع المنتج النهائي، إلى جانب اللزوجة والقوام المناسبين، بأقل قدر من انفصال الماء، وبنية متجانسة، وإحساس فموي كريمي، وثبات مناسب أثناء التخزين.
كما تتجه الأبحاث الحديثة نحو استخدام أكثر استهدافًا للهيدروكولويدات، والتركيبات متعددة المكونات، وفهم أكثر دقة للعلاقة بين البنية المجهرية والخصائص الحسية والريولوجية للزبادي.
المراجع المختارة
- Hydrocolloid application in yogurt: Progress, challenges and future trends, Food Hydrocolloids, 2024.
- Studying stirred yogurt microstructure and its correlation to physical properties: A review, Food Hydrocolloids, 2021.
- Effect of different hydrocolloids on texture, rheology, tribology and sensory perception of texture and mouthfeel of low-fat pot-set yoghurt, Food Hydrocolloids.
- Starch swelling behavior and texture development in stirred yogurt, Food Hydrocolloids, 2020.
- Industrial Yogurt Manufacture: Monitoring of Fermentation Process and Improvement of Final Product Quality, Journal of Dairy Science, 2007.
- Relationship between smoothing temperature, storage time, syneresis and rheological properties of stirred yogurt, International Dairy Journal, 2020.
- The role of exopolysaccharide-producing cultures and whey protein ingredients in yoghurt, International Dairy Journal.