Трегалоза: свойства, применение и наука в кондитерском деле

Трегалоза имеет молекулярную массу сахарозы, но менее чем половину её сладости, является невосстанавливающим сахаром и при достаточно низкой влажности образует аморфное стекло с высокой Tg. Поведение по отношению к влаге зависит от физической формы: стабильный дигидрат сравнительно низкогигроскопичен, а безводные формы легко поглощают воду и переходят к дигидрату.

Что такое трегалоза

Трегалоза (C₁₂H₂₂O₁₁, молекулярная масса 342 г/моль) — невосстанавливающий дисахарид из двух единиц глюкозы, соединённых α,α-1,1-гликозидной связью. Она связывает аномерные углероды обеих единиц. Сахароза тоже невосстанавливающая: её связь α-1↔β-2 соединяет аномерные углероды глюкозы и фруктозы. Различие связано с составом и геометрией связи, а не со свободным аномерным углеродом сахарозы.

Поскольку ни один аномерный углерод не доступен, целая молекула трегалозы не раскрывается в альдегидную форму, нужную для реакции Майяра. Она сравнительно стабильна, но «невосстанавливающая» не означает химически инертная при любых температурах, кислотности, ферментах и сроках хранения.

Промышленно трегалозу получают путём ферментативного превращения тапиокового или кукурузного крахмала — крахмал разжижают, затем пара ферментов перестраивает концевую глюкозную связь в связь α,α-1,1. Она также встречается естественным образом в грибах, дрожжах, мёде и тканях организмов, переживающих экстремальное обезвоживание, что является биологической подсказкой к её консервирующей силе.

Свойства, которые её выделяют

Трегалоза имеет ту же молекулярную массу и сходное коллигативное поведение, что сахароза, но отличается сладостью, тепловыми свойствами и гидратацией твёрдой фазы. В таблицах для рецептурирования джелато её индекс сладости POD часто принимают около 45 при сахарозе 100. POD и PAC — практические рецептурные индексы, а не универсальные термодинамические константы, поэтому важны источник таблицы и условия измерения.

Поскольку молекулярная масса трегалозы (342 г/моль) равна массе сахарозы, в идеальном разбавленном расчёте число растворённых молекул на грамм совпадает. Поэтому для сухих веществ используют приблизительный PAC около 100 при сахарозе 100. В концентрированном продукте влияют коэффициенты активности, физическая форма и вода ингредиента, поэтому индекс не является точной гарантией замены 1:1.

Для сухой аморфной трегалозы опубликована Tg примерно 100–120°C (около 107°C в одном DSC-исследовании). Вода — сильный пластификатор: при ~10% воды Tg находится около комнатной температуры, примерно 10–30°C в зависимости от истории образца и метода, а не 80°C. Tg около 80°C соответствует лишь нескольким процентам воды. Поэтому жёсткое стекло сохраняется только при контроле влажности и температуры. Стабильный дигидрат сравнительно низкогигроскопичен; безводные формы способны поглощать воду и переходить к дигидрату.

Вывод: сухие трегалоза и сахароза дают сходный первый порядок коллигативного эффекта на грамм, но трегалоза менее сладкая и имеет более высокую Tg в сухом состоянии. Поглощение влаги зависит от кристаллической формы, а aw и замерзание концентрированного продукта требуют измерения или валидированной модели.

Поведение в замороженных и аэрированных системах

В мороженом и сорбете сахара выполняют двойную работу — они подслащивают и понижают точку замерзания, контролируя, сколько воды остаётся жидкой при температуре подачи. С PAC около 100 трегалоза понижает замерзание примерно как сахароза по массе, поэтому встраивается в сахарную смесь, не нарушая целевую твёрдость. Её реальный вклад — криопротекция: трегалоза иммобилизует воду в стеклообразной, медленно диффундирующей матрице на границе льда, что сдерживает рост кристаллов льда при хранении и циклах замораживания–оттаивания и дольше сохраняет текстуру гладкой.

Поскольку она добавляет лишь около 45% сладости сахарозы, трегалоза позволяет повысить общее содержание растворённых сухих веществ — улучшая тело и снижая активность воды — не пересахаривая сорбет или молочную основу. Такое разделение сухих веществ и сладости трудно достичь одной только сахарозой.

То же стеклообразующее, иммобилизующее воду поведение борется с синерезисом в жевательном мармеладе и пате-де-фрюи, где отпотевание — это медленная миграция свободной воды из геля. Связывая воду в более жёсткой аморфной фазе, трегалоза уменьшает количество свободной воды, способной вытекать, помогая пектиновым и желатиновым системам удерживать застывание в течение срока годности.

Стабильность, влага и срок годности

Консервирующая репутация трегалозы основана на двух связанных механизмах: образовании стекла и замещении воды. По мере высыхания или замораживания продукта трегалоза витрифицируется в стекло с высокой Tg, физически фиксируя молекулы на месте и останавливая диффузию, необходимую для реакций порчи и деградации. На молекулярном уровне она также замещает воду на поверхности белков и других чувствительных структур — её гидроксильные группы образуют водородные связи там, где раньше находилась вода, сохраняя форму и функцию при высыхании. Именно поэтому она так эффективно стабилизирует сублимированные фрукты, ароматы и биологические материалы.

Для жарких и влажных рынков может быть полезна сравнительно низкая гигроскопичность стабильного дигидрата трегалозы. Будет ли начинка или покрытие поглощать меньше влаги, зависит от конечной твёрдой фазы, всей рецептуры, RH и упаковки; влияние на поседение подтверждают испытанием хранения.

Нулевая реакционность по Майяру даёт трегалозе вторую роль в продлении срока годности: сохранение цвета и вкуса. В термообработанных и сублимированных продуктах восстанавливающие сахара со временем темнеют и образуют жжёные посторонние ноты. Трегалоза не вносит такой химии, поэтому нежные пастельные цвета и свежие фруктовые вкусы дольше остаются правдивыми.

Использование трегалозы: дозировка, замена и стоимость

Трегалоза редко составляет всю сахарную систему. Замена 10–30% сахарозы — практический стартовый диапазон, хотя некоторые сухие продукты допускают больше. Замена 1:1 по сухой массе приблизительно сохраняет коллигативный вклад первого порядка, но снижает сладость; aw и кривую замерзания проверяют в готовой рецептуре.

Ограничение — цена. Трегалоза обычно стоит в 3–6 раз дороже сахарозы, поэтому она оправдана в премиальных и высокоценных применениях — шоколаде для тропических рынков, сублимированных включениях, рецептурах с пониженной сладостью и продуктах, где точность цвета или вкуса оправдывает расход. При массовых ценовых уровнях частичная замена в нижней части диапазона 10–30% обычно даёт большую часть преимущества при наименьших затратах.

Часто задаваемые вопросы

Источники

• Simperler, A. et al. (2006). Glass transition temperature of glucose, sucrose, and trehalose: an experimental and in silico study. Journal of Physical Chemistry B, 110, 19678–19684.
• Drake, A. C. et al. (2018). Effect of water content on the glass transition temperature of mixtures of sugars, polymers, and penetrating cryoprotectants in physiological buffer. PLOS ONE, 13, e0190713.
• Weng, L., Ziaei, S. & Elliott, G. D. (2016). Effects of water on structure and dynamics of trehalose glasses at low water contents and its relationship to preservation outcomes. Scientific Reports, 6, 28795.
• Nagase, H. et al. (2005). De- and rehydration behavior of α,α-trehalose dihydrate. Journal of Pharmaceutical Sciences, 94, 487–495.