بررسی کارایی و سازوکار صمغ گوار در پایداری دوغ
۱. مقدمه
دوغ یک نوشیدنی لبنی تخمیری با قدمت تاریخی در ایران است که در مقیاس صنعتی معمولاً از ماست با اسیدیته بالا تهیه می‌شود. عمر ماندگاری این محصول حدود یک ماه است، اما در روزهای نخست پس از تولید، به‌دلیل pH اسیدی (نزدیک به ۴٫۶)، کازئین‌ها به نقطه ایزوالکتریک خود رسیده و تجمع می‌کنند. این تجمع منجر به تشکیل لخته‌ای با تخلخل بالا شده و در نتیجه، آب موجود در محصول (سرم) از شبکه ژل جدا شده و در سطح بالایی ظرف تجمع می‌یابد (پدیده سینرسیس یا آب‌اندازی) (امینی‌فر، ۱۳۸۵). اگرچه در روزهای اولیه، هم‌زدن می‌تواند تا حدی لخته را پراکنده کند، اما به‌دلیل غیرقابل‌برگشت بودن تجمع کازئین در نقطه ایزوالکتریک، این عمل نمی‌تواند ساختار اولیه و یکنواختی کامل محصول را بازگرداند.
علاوه بر مشکل فیزیکی، در ایران برای بهبود طعم دوغ از اسانس‌های فراری همچون پونه، نعناع و کاکوتی استفاده می‌شود. این ترکیبات در طول انبارمانی، به‌دلیل فشار بخار بالا و ضریب نفوذ زیاد در فاز آبی، به‌تدریج از ماتریکس محصول خارج شده و از شدت عطر و طعم آن کاسته می‌شود (آذری‌کیا، ۱۳۹۰).
۲. نقش هیدروکلوئیدها در پایدارسازی دوغ
استفاده از هیدروکلوئیدها به‌عنوان پایدارکننده، یکی از مؤثرترین راهکارها برای بهبود بافت، پایداری و خواص رئولوژیکی فرآورده‌های لبنی اسیدی محسوب می‌شود. این ترکیبات از طریق دو مکانیسم اصلی عمل می‌کنند: (۱) افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته که تحرک ذرات و قطرات را کاهش می‌دهد و (۲) ایجاد شبکه‌های ویسکوالاستیک سه‌بعدی که آب را در خود محبوس کرده و از خروج آن جلوگیری می‌نماید.
در میان هیدروکلوئیدهای مختلف، صمغ گوار به‌دلیل پایداری بالا در محیط‌های اسیدی، هزینه مناسب و توانایی قابل‌توجه در افزایش ویسکوزیته حتی در غلظت‌های پایین، کاربرد گسترده‌ای در دوغ و سایر نوشیدنی‌های تخمیری یافته است.
۳. معرفی صمغ گوار
صمغ گوار با نام علمی Cyamopsis tetragonoloba، از دانه‌های گیاهی مقاوم به کم‌آبی (از خانواده لگومینوز) استخراج می‌شود. این صمغ یک پلی‌ساکارید از خانواده گالاکتومانان‌ها است که زنجیره اصلی آن از واحدهای مانوز (با پیوند β-۱,۴) و شاخه‌های جانبی آن از واحدهای گالاکتوز (با پیوند α-۱,۶) تشکیل شده‌است. نسبت مانوز به گالاکتوز در گوار تقریباً ۲:۱ می‌باشد.
از نظر الکتریکی، گوار یک پلیمر غیر یونی (خنثی) است و بار الکتریکی قابل‌توجهی ندارد. این ویژگی باعث می‌شود که در محدوده pH وسیعی (از جمله pH اسیدی دوغ) پایدار بماند و با کازئین‌ها (که بار مثبت دارند) برهم‌کنش الکترواستاتیکی قوی نداشته باشد؛ بلکه مکانیسم اصلی آن، افزایش حجم هیدرودینامیکی و گرانروی فاز پیوسته از طریق اتصال مولکول‌های آب و تشکیل شبکه هیدروژنی است. پس از استخراج صمغ از آندوسپرم دانه، فرآورده‌های جانبی (مانند پوسته و پروتئین باقیمانده) نیز قابل استفاده در صنایع خوراک دام هستند.
۴. سازوکار اثرگذاری گوار بر پایداری دوغ
۴-۱. کاهش آب‌اندازی (سینرسیس)
مکانیسم اصلی گوار در کاهش سینرسیس دوغ، افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته (سرم) می‌باشد. با افزایش گرانروی محیط اطراف لخته کازئینی، نیروی مقاومت در برابر حرکت آب افزایش یافته و خروج آن از شبکه ژل به‌شدت کاهش می‌یابد. به‌عبارت دیگر، گوار با ایجاد یک شبکه ویسکوالاستیک در فاز آبی، توانایی نگهداری آب را افزایش داده و از جمع‌شدگی و انقباض توده‌های کازئینی جلوگیری می‌کند.
۴-۲. کاهش فراریت اسانس‌ها
برخلاف تصور رایج، مکانیسم کاهش فراریت توسط گوار صرفاً «به دام انداختن» فیزیکی نیست. در علم انتقال جرم، سرعت خروج یک ترکیب فرار از ماتریکس مایع، به ضریب نفوذ مولکولی (Diffusion Coefficient) آن بستگی دارد که با افزایش ویسکوزیته محیط، به‌شدت کاهش می‌یابد (طبق رابطه استوکس-انیشتین). بنابراین، گوار با افزایش گرانروی فاز پیوسته، نرخ انتشار ترکیبات طعم‌دهنده را کاهش داده و در نتیجه، از هدررفت تدریجی آن‌ها در طول ماندگاری جلوگیری می‌کند.
۴-۳. برهم‌کنش گوار و کازئین
بررسی‌های میکروسکوپی نشان می‌دهد که در غلظت‌های بالای گوار، سیستم ناسازگاری ترمودینامیکی (فاز جدایی) بین گوار و کازئین رخ می‌دهد؛ به‌طوری‌که دو فاز غنی از گوار و غنی از کازئین به‌صورت مجزا قابل مشاهده هستند. با این حال، در غلظت‌های پایین‌تر، مخلوط رفتاری نسبتاً همگن از خود نشان می‌دهد. این پدیده به‌دلیل تفاوت در ساختار شیمیایی و آب‌دوستی این دو بیوپلیمر است و نه یک برهم‌کنش شیمیایی خاص.
۵. خواص رئولوژیکی محلول‌های گوار و دوغ حاوی آن
رفتار رئولوژیکی محلول‌های پلیمری به غلظت پلیمر وابسته است. در غلظت‌های بسیار پایین (منطقه رقیق یا Dilute region)، مولکول‌های پلیمر مستقل از یکدیگر حرکت کرده و محلول رفتار نیوتنی (ویسکوزیته ثابت مستقل از سرعت برشی) از خود نشان می‌دهد.
با افزایش غلظت و عبور از غلظت هم‌پوشانی (c*)، مولکول‌ها شروع به درهم‌تنیدگی (Entanglement) کرده و وارد منطقه نیمه‌رقیق (Semi-dilute region) می‌شوند. در این ناحیه، ویسکوزیته به‌شدت افزایش یافته و رفتار جریان غیر نیوتنی، عمدتاً از نوع رقیق‌شونده با برش (Shear-thinning یا شبه‌پلاستیک)، مشاهده می‌شود. به‌عبارت دیگر، با افزایش سرعت برشی، ساختار درهم‌تنیده پلیمرها شکسته شده و ویسکوزیته ظاهری کاهش می‌یابد. این رفتار در دوغ حاوی گوار نیز مشاهده می‌شود.
نکته مهم: پلی‌مرهای باردار (یونی) معمولاً به‌دلیل بازتر شدن ساختار (ناشی از دافعه الکترواستاتیکی)، ویسکوزیته بیشتری نسبت به پلی‌مرهای غیر یونی با وزن مولکولی مشابه دارند. با این حال، گوار به‌عنوان یک پلیمر غیر یونی، به‌دلیل وزن مولکولی بسیار بالا (حدود ۲-۱ میلیون دالتون) و توانایی تشکیل شبکه هیدروژنی گسترده،依然 افزایش ویسکوزیته قابل‌توجهی ایجاد می‌کند. همچنین، اثر هم‌افزایی (سینرژیستی) گوار با برخی هیدروکلوئیدهای دیگر نظیر زانتان (به‌دلیل برهم‌کنش بین زنجیره‌ای) نیز گزارش شده است که می‌تواند در فرمولاسیون‌های ترکیبی مورد توجه قرار گیرد.
۶. نتیجه‌گیری
صمغ گوار با مکانیسم افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته، تشکیل شبکه هیدروژنی و کاهش ضریب نفوذ مولکولی، به‌طور مؤثری از آب‌اندازی (سینرسیس) و هدررفت اسانس‌های طعم‌دهنده در دوغ جلوگیری می‌کند. رفتار رئولوژیکی دوغ حاوی گوار از نوع شبه‌پلاستیک (رقیق‌شونده با برش) است که هم برای فرآوری (پمپ‌کردن و هم‌زدن) و هم برای حس دهانی مطلوب مصرف‌کننده مناسب می‌باشد. با توجه به پایداری بالای گوار در pH اسیدی و هزینه اقتصادی آن، استفاده از این هیدروکلوئید به‌عنوان پایدارکننده در فرمولاسیون دوغ صنعتی توصیه می‌شود. بررسی اثر ترکیبی گوار با سایر هیدروکلوئیدها (مانند زانتان یا CMC) می‌تواند زمینه‌ساز پژوهش‌های آتی در جهت بهینه‌سازی بافت و پایداری این محصول سنتی باشد.