Перетворення вуглеводів у харчових технологіях

Основні перетворення вуглеводів у харчових технологіях пов’язані з іх гідролізом, клейстеризацією крохмалю, участю в реакціях карамелізації та меланоїдиноутворення.

У багатьох харчових технологіях має місце гідроліз олігосахаридів та полісахаридів. Гідроліз крохмалю має місце у процесі отримання патоки, важливе значення має у виробництві солоду, спирту, пива, хліба. Тут повинен забезпечуватись певний ступінь гідролізу крохмалю. Гідроліз також відбувається у процесі зберігання сировини, зокрема, під час зберігання зерна у вологому стані може відбуватись пророщення зерна, яке супроводжується гідролізом крохмалю. Гідроліз дисахаридів має місце у технології виробництва цукру. Тут цей процес негативно впливає на вихід продукту і його якість.

У харчових технологіях застосовують кислотний та ферментативний гідроліз полісахаридів.

Гідроліз крохмалю під дією кислот спричиняє спочатку послаблення зв’язків між макромолекулами амілази і амілопектину. Це призводить до руйнування структури крохмальних зерен і утворення гомогенної маси. Далі має місце розрив -Д – 1,4 і -Д – 1,6 зв’язків і приєднання по місцю розриву молекули води. Кінцевим продуктом гідролізу є глюкоза, на проміжних стадіях утворюється декстрини, три та тетрасахара, мальтоза. В розчині зростає число альдегідних груп. Кислотний гідроліз був певний час основним у технології отримання патоки і глюкози. Проте він має недоліки. Завдяки високій концентрації кислоти і високій температурі утворюються продукти термічної деградації вуглеводів, які є шкідливими.

Ферментативний гідроліз крохмалю відбувається під дією амілолітичних ферментів - і -амілази, глюкоамілази та деяких інших.

-амілаза є ендоамілазою, тобто вона може розривати внутрішньо-молекулярні зв’язки в будь-якому місці. Діючі на крохмалеві зерна, -амілаза ніби розщеплює зерно, утворює на поверхні канали і бороздки. Клейстеризований крохмаль гідролізується з утворенням низькомолекулярних незабарвлюваних йодом декстринів, які дуже повільно гідролізуються -амілазою до мальтози і глюкози.

-амілаза є екзоамілазою, яка відщеплює від амілази і амілопектину мальтозу з нередукуючого кінця, діє лише на -Д – 1,4 зв’язок. Нативні крохмальні зерна -амілазою не гідролізуються. Клейстеризований крохмаль гідролізується на 54-58% до мальтози і 42-46% утворює -декстринів. Глюкоамілаза –1,4 глюканглюкогідролаза є екзоферментом, який каталізує послідовне відщеплення -Д –глюкози від нередукеруючого кінця крохмального ланцюга. Особливістю цього ферменту є здатність швидко гідролізувати полімери, але дуже повільно ди-та олігосахара. Останніми роками у технології виробництва патоки поєднують кислотний і ферментативний гідроліз. Ферментативний гідроліз крохмалю має місце під час виготовлення пива та спирту.

Під час виготовлення хліба у пшеничному та житньому тісті повинно міститись 5-6% мальтози, яка витрачається на бродіння тіста та в процесі випікання забезпечує реакцію меланоїдиноутворення.

Частина мальтози міститься у борошні (у пшеничному борошні власних цукрів міститься 1,8-2,5%,у житньому їх значно більше –до 5%),а частина утворюється в процесі амілолізу під дією власних амілолітичних ферментів борошна. Під час дозрівання тіста відбувається також утворення декстринів у пшеничному тісті під дією -амілази, а у житньому - - і -амілази. Надмірне утворення декстринів, наприклад у разі використання борошна із зерна з домішками пророслого, призводить до розрідження тіста та до одержання хліба з липкою м’якушкою. Проте процес амілолізу у тісті вивчений недостатньо, кількісні характеристики процесу гідролізу крохмалю амілолітичними ферментами у тісті невідомі.

Ферментативний гідроліз некрохмальних полісахаридів (целюлози, геміцелюлози, пектинів) здійснюється під дією ферментів целюлолітичного, геміцелюлолітичного і пектолітичного комплеків). Наприклад, у виробництві соків і у виноробстві – для освітлення та поліпшення умов фільтрування.

Гідроліз сахарози у харчових технологіях може здійснюватись при нагріванні в присутності невеликої кількості кислот, зокрема, соляної. При цьому утворюється редукувальні цукри, глюкоза і фруктоза, які можуть приймати участь у процесах карамелізації, меланоїдиноутворення. В кондитерському виробництві використовується інвертний сироп, який готують шляхом кислотної інверсії розчину сахарози з концентрацією СР понад 80% і температурі близько 100°С, після чого кислоту нейтралізують розчином харчової соди NaHCO₃. Інвертний сироп використовують при виробництві карамелі, мармеладу, як антикристалізатор замість патоки. Інвертний сироп крім глюкози і фруктози містить невелику кількість негідролізованої сахарози, а також продукти розкладу та конденсації сахарів, зокрема, забарвлюючі речовини. Інвертний сироп має високу гігроскопічність, що негативно впливає на якість карамелі.

Ферментативний гідроліз сахарози під дією фермента -фруктофуранозидази (сахарази) має місце під час приготування тіста, під час виробництва вин: (сахароза гідролізується з утворенням зброджуваних сахарів глюкози і фруктози. Інвертний сироп, який використовується при виробництві безалкогольних напоїв, готують ферментативним способом.

Реакції дегідратації і термічної деградації вуглеводів. Ці реакції каталізуються кислотами і лугами і мають місце при високій температурі при тепловій обробці сахарів. Реакції, що мають місце при тепловій обробці сахарів, можуть протікати без розриву С-С-зв’язків і з розривом. Реакції з розривом –С-С-зв’язків призводять до утворення летких кислот, фуранів, спиртів, ароматичних речовин, оксиду та діоксиду вуглецю.

Пентози при дегідратації утворюють фурфурол, гексози - оксиметилфурфурол та деякі інші продукти (2-гідроксиацетилфуран, ізомальтол і мальтол). Ці речовини є ароматутворюючими речовинами. Так фурфурол і оксиметилфурфурол утворюються при тепловій обробці фруктових соків. Ці речовини мають певну токсичність.

В залежності від умов реакції можуть утворюватись ароматичні речовини або забарвлюючі продукти. При помірному нагріванні має місце процес дегідратації з утворенням ароматичних речовин. Так, мальтол і ізомальтол мають запах печеного хліба , 2-Н-4-гідрокси-5- метилфуранон - аромат смаженого м’яса.

Утворення дигідрофуранонів, циклопентанолонів, циклогексанолонів, піронів, що мають спряжені подвійні зв’язки, які адсорбують світло певної довжини хвиль, надаючи їм коричневого кольору. Це полімери, які утворюються завдяки виникненню нових глюкозидних зв’язків.

Утворення речовин, які надають харчовим продуктам темного забарвлення, пов’язане з протіканням таких реакцій:

– окиснювальне потемніння або ферментативне потемніння;

–неокиснювальне потемніння – реакції карамелізації та меланоїдиноутворення.

Окиснювальне потемніння не пов’язане з перетвореннями вуглеводів, а є результатом утворення меланінів у разі окиснення амінокислоти тирозин під впливом ферменту поліфенолоксидази. Утворення меланінів має місце під час приготування тіста, особливо житнього, зумовлює потемніння грибів, груш, яблук. Для того, щоб обмежити потемніння овочів при обробленні застосовується бланшування – короткочасна обробка парою, киплячою водою чи розчинами кислоти, солі, цукру.

Окислення альдоз може відбуватися під дією окислювачів та окислювальних ферментів – глюкодооксидази. В залежності від умов реакції утворюються альдонові, дикарбонові та уринові кислоти. Ця реакція лежить в основі промислового способу виготовлення глюкуронової кислоти шляхом окиснення при гідролізі крохмалю. Окиснення глюкози в присутності глюкозооксидози є ефективним методом видалення кисню з соків, пива та попередження утворення пероксидів і речовин, що змінюють колір і запах продуктів.

Неокислювальне потемнення пов’язано з карамелізацією вуглеводів та реакцією меланоїдиноутворення.

Карамелізація – це комплекс реакцій, що відбуваються при нагріванні вуглеводів в присутності невисокої концентрації кислот, лугів, деяких солей, і призводять до утворення коричневих продуктів з карамельним ароматом.

Наприклад, цукор–пісок використовують для отримання “цукрового колеру”. Для цього сахарозу в присутності сірчаної кислоти або кислих солей амонію нагрівають до інтенсивного забарвлення. Колер застосовують для забарвлення безалкогольних напоїв, тортів та деяких видів кондитерського тіста.

Реакція меланоїдиноутворення (Майара) - це реакція утворення меланоїдинових пігментів внаслідок взаємодії амінокислот і редукувальних вуглеводів. Ця реакція носить складний характер з утворенням проміжних продуктів. Самі меланоїдинові пігменти не є простими речовинами, це суміш ненасичених полікарбоксильних кислот зі схожою структурою, але з різною молекулярною масою (полімери).

Високу здатність вступати у реакцію мають лізин, L- аргінін і L – гістіцин. Це пов’язоно зі зниженням вмісту амінокислот.

На реакцію меланоїдиноутворення впливають такі фактори:

• температура: зростання температури на 10°С збільшує швидкість реакції у 2-3 рази,

• РН середовища: найбільше потемніння має місце при рН=6, а найбільш сприятлива рН – 7,8 –9,2 , в кислому середовищі потемніння також менш значні ,

• Вологість: як дуже низька, так і дуже висока вологість стримує потемніння, найбільше потемніння має місце при проміжній вологості,

• Іони металів: більш інтенсивне потемніння відбувається у присутності іонів міді і заліза,

• структура сахарів: здатність утворювати коричневі пігменти зменшується в ряду: для пентоз – Д –ксилоза, L- арабіноза, для гексоз - Д-галактоза , Д - маноза, Д- глюкоза, Д- фруктоза, для дисахарів– мальтоза, лактоза, сахароза.

• характер амінокислоти : чим далі від карбоксильної групи розміщена аміногрупа, тим активніша дана амінокислота в реакції Майяра, тобто гамма – амінокислота активніше вступає в реакцію, ніж альфа-амінокислота, лізин краще, ніж ізолейцин.

Реакція Майяра може бути небажаною для деяких харчових продуктів. Перебіг цієї реакції можна інгібувати, наприклад:

1. значним зменшенням вологості (для сухих продуктів), зниженням концентрації сахарів (розведенням),

2. зниженням рН, температури ( для рідких продуктів),

3. можна виключити один із компонентів реакції, як правило, сахар.

Наприклад, перед сушінням яєчного порошка, щоб не з’являвся запах, додають фермент глюкооксидазу, яка сприяє окисленню глюкози і утворенню Д – глюконової кислоти .

Глюкозооксидаза

С₆ Н₁₂ О₆ + Н₂ О + О₂ → С₆ Н₁₂ О₇ + Н₂ О₂

Д-глюкоза Д-глюконова кислота

Ця реакція корисна ще й тим , що пероксид водню, який утворюється, знижує бактеріальну обсеміненість.

4) Хімічний спосіб інгібування реакції Майяра полягає у використанні сульфітів. В одних випадках сульфіти сповільнюють реакцію меланоїдиноутворення, в інших – потемніння припиняється повністю.

Оксид сірки SO₂ і його похідні також призупиняють реакцію потемнення в харчових продуктах, але сульфітація обмежується можливістю утворення у харчових продуктах малотоксичних компонентів. Деякі інші інгібітори також неприйнятні із-за токсичності (ціаніди, гідроксиламін, гідразин, меркаптани, бромін).

Процес меланоїдиноутворення має як позитивний, так і негативний вплив на якість харчових продуктів, що необхідно враховувати у різних технологіях:

1. В залежності від виду продукту утворення меланоїдинових пігментів та розвиток запаху може бути бажаним або небажаним.

2. Завдяки реакції Майяра може мати місце втрата незамінних амінокислот, особливо лімітуючих , що веде до втрати харчової цінності.

3. Є відомості, що деякі продукти реакції Майяра можуть бути мутагенними. Проте в більшості публікацій мутагенність продуктів реакції заперечується.

4. Проміжні продукти реакції Майяра мають антиоксидантну активність і стримують окислення жирних кислот, що позитивно впливає на якість в процесі зберігання харчових продуктів.

5. Утворення продуктів реакції Майяра не лише веде до втрати амінокислот, але й погіршує засвоювання білків.

В цілому продукти реакцій карамелізації і меланоїдиноутворення та супутні їм ароматичні речовини мають велике значення для покращення кольору та аромату харчових продуктів (хліба, кондитерських виробів, молока, безалкогольних напоїв і пива).

Зброджування вуглеводів

Спиртове бродіння здійснюється завдяки життєдіяльності дріжджів роду Saccharomyces . Сумарно спиртове бродіння оперується рівнянням

С₆Н₁₂О₆ = 2 СО₂ + 2С₂Н₅ОН

Проте при спиртовому бродінні завжди в невеликих кількостях утворюються інші речовини: янтарна, лимонна кислота, суміш амілового , ізоамілового, бутилового та інших спиртів, а також оцтова кислота, оцтовий альдегід, дикетони, гліцерин. Ці домішки негативно впливають на аромат вина, пива, горілки.

Різні сахари по-різному зброджуються дріжджами. Найлегше зброджується дріжджами глюкоза і фруктоза, повільніше – манноза, найповільніше – галактоза, пентози дріжджами не зброджуються. Серед дисахарів сахароза і мальтоза легко зброджуються після гідролізу відповідно бетта-фруктофуранозидазою і альфа- глюкозидазою, які містяться в дріжджах. Лактоза дріжджами не зброджується, але у разі застосування ферменту бетта-галактозидаза утворюється глюкоза і галактоза, які з різною швидкістю дріжджами зброджуються.

Другим видом бродіння, яке має важливе значення у харчових технологіях, є молочнокисле бродіння, що здійснюється під дією молочнокислих бактерій:

С₆Н₁₂О₆ = 2СН₃ – СНОН – СООН

молочна. кислота