4. Химические процессы

В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенизации и переэтерификации, инвертного сахара путем кислотного гидролиза сахарозы. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, шоколада, растительных масел, прессованных дрожжей, а также при хранении продуктов. Наиболее важными химическими процессами являются:

- гидролиз;

- дегидратация;

- реакция меланоидинообразования (реакция Майара);

- сульфитация;

- окисление.

Гидролиз – это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.

Сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆.

сахароза глюкоза фруктоза

Характерная особенность сахарозы – исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем скорость гидролиза, при этих же условиях таких дисахаридов, как мальтоза или лактоза.

Инвертный сироп обладает двумя свойствами – свойствами антикристаллизатора и гигроскопичностью. Первое свойство связано с его вязкостью, а второе – с присутствием фруктозы, являющейся самым гигроскопичным из всех известных сахаров.

Антикристаллизационные свойства инвертного сиропа позволяют широко использовать его при производстве карамели.

Гидролиз сахарозы играет отрицательную роль в сахарном производстве, т.к. увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения. При получении сахара измельченную свеклу обрабатывают горячей водой, получая диффузионный сок, в котором растворены сахароза и другие вещества. Некоторые из этих соединений придают соку кислую реакцию. Для предотвращения гидролиза сахарозы диффузионный сок на первых стадиях очистки нейтрализуют.

Гигроскопичность инвертного сиропа широко используется при хранении кондитерских изделий. Она ограничивает применение инверного сиропа при производстве карамели. В то же время гигроскопичность инвертного сахара используется при введении его в рецептуру мучных кондитерских изделий для увеличения срока хранения готового продукта.

При уваривании яблочно-сахарной смеси производстве фруктово-ягодного мармелада происходит инверсия сахарозы. Образующийся инвертный сахар предотвращает засахаривание мармеладной массы и образование грубокристаллической корочки.

Гидролиз крахмала – это основной процесс в производстве патоки. Патоку получают кислотным гидролизом кукурузного или картофельного крахмала. Процесс гидролизата происходит по следующей схеме:

Крахмал амилодекстрины эритродекстрины ахро- и мальтодекстрины мальтоза и глюкоза.

Патока – это продукт неполного гидролиза крахмала.

Меланоидинообразование. Реакция Майара. Это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (-NH₂), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа =С=О, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара – фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами.

Особенно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле.

Дегидратация. Одна из реакций, протекающая в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В тоже время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т.е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционно способными и могут соединиться друг с другом или с неизменной молекулой глюкозы иобразовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой кислот и окрашенных соединений. В общем виде схему химических изменений сахарозы можно представить в следующем виде:

Сахароза Моносахариды Ангидриды Оксиметилфурфурол

(смесь глюкозы сахаров

и фруктозы)

Продукты конденсации Красящие Муравьиная и

(реверсии) и гуминовые и левулиновая

Вещества кислоты

Наиболее чувствительной к нагреванию является фруктоза.

Аналогичные процессы наблюдаются при нагревании патоки, инвертного сиропа. Продукты разложения сахаров обладают различными свойствами. Оксиметилфурфурол, красящие и гуминовые вещества повышают цветность и гигроскопичность продуктов и отрицательно сказываются при производстве сахара и карамели. Ангидриды и продукты конденсации способны задерживать кристаллизацию сахарозы из карамельной массы и не оказывают влияния на гигроскопичность и цветность готового продукта.

Сульфитация. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего Н₂SO₃. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов. Диоксид серы получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.

При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем,

SO₂ + Н₂O = Н₂SO₃.

Частично сернистая кислота переходит в серную:

Н₂SO₃ + Н₂O = Н₂SO₄ + 2Н.

Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие. Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение. Сульфитацию применяют для консервирования пищевых продуктов. SO₂, Н₂SO₃ и ее соли в этом случае выполняют роль антисептика, вызывающего гибель микроорганизмов.

Окисление. Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах – прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действиями света и кислорода воздуха. Этот процесс называют аутоокислением. Этот процесс обусловлен окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды,

О О

R C = C R₁ + O₂ R C C R₁ .

H H H H

В результате дальнейшего разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятный запах и вкус. Избежать окисления можно, используя оксиданты. К ним относятся производные фенолов, например: бутилоксианизол, бутилокситолуол. Фенолы и их производные входят в состав коптильной жидкости, содержатся в древесном дыме, поэтому копченые продукты, как правило, обладают стойкостью при хранении. На скорость химических реакций влияют концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализаторов.

5. Дисперстные и коллоидные системы. Дисперстные системы гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них – сплошная, называется дисперсионной средой. Другая – раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой. Большинство пищевых продуктов, сырье и полуфабрикаты являются дисперсными системами: хлеб, мкА, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т.п.

Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще – неправильную. Размеры частиц дисперсной фазы характеризуются раздробленностью. Раздробленность это величина обратная размеру а, т.е. R = 1/а. Эта величина называется дисперсностью. Дисперсность характеризуется величиной удельной поверхности, определяемой отношением площади межфазной поверхности к объему тела S/V.

Классификация дисперсных систем.

Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности.

Дисперсные

системы

Ультрамикрогетерогенные или коллоидные

от 10 ^-7 до 10 ^-5 см

Грубодисперсные

> 10 ^-3 см

микрогетерогенными

от 10 ^-5 до 10 ^-3 см

с

у

с

п

е

н

з

и

и

э

м

у

л

ь

с

и

и

а п

э о

р р

о о

з ш

о к

л и

и

и

п

е

н

ы

з

о

л

и

а

э

р

о

з

о

л

и

л

и

о

з

о

л

и

гидрозоли

органозоли

(См. приложение. Классификация дисперсных систем кондитерского производства).

К микрогетерогенным системам относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Т/Г и Ж/Г) и порошки (Т/Г).

Суспензии представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др. Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками. Суспензии образуются при получении крахмала, при осаждении осадков в производстве сахара, пива, вина, в кондитерской промышленности и др.

Эмульсии. Обязательное условие образование эмульсии – нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге (например, вода-масло). Эмульсии – неустойчивые системы, поэтому для повышения устойчивости применяют стабилизаторы или эмульгаторы, т.е. вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз масло-вода. Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Эмульгаторы, растворимые в воде, способствуют образованию прямых эмульсий (М/В); эмульгаторы, растворимые в неполярных жидкостях, дают обратные эмульсии (В/М).

Аэрозоли и порошки. Это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Аэрозоли классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоль с жидкой дисперсной фазой называют туманом, с твердой – дымом и пылью. Например: водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль, которые могут образовывать взрывоопасные смеси. В пищевой промышленности прибегают к искусственному получению аэрозолей. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Из образующего аэрозоля благодаря его большой удельной поверхности испарение влаги идет очень интенсивно и сушка заканчивается за 15…20 с.

Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. К порошкам относят муку, какао-порошок, крахмал. Размер частиц промышленных порошков является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в какао-порошке влияют на вкусовые качества и пищевую ценность продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки. В кондитерском производстве используют порошки, полученные из сахара, крахмальной патоки, фруктов и овощей. При переработке порошков протекают процессы гидратации и смачивания. На поверхности пищевых порошков расположено множество соединений СН, ОН, СО, способных образовывать водородные связи с молекулами воды. На поверхности частиц порошков происходит адсорбция молекул водяных паров окружающего воздуха. Частицы порошков содержат растворимые в воде вещества (например, сахара, органические кислоты, минеральные вещества), поэтому после адсорбции следует частичное растворение поверхностного слоя и приводить к слипанию между собой. (Такие порошки плохо хранятся.) Этот процесс называется гидратацией. При производстве кондитерских масс на основе порошков, порошки смешиваются в жидкой фазе, при этом происходит смачивание и дальнейшая гидратация порошков.

Пены это высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ. Пузырьки газа в пенах имеют большие размеры, форму многогранников и отделены друг от друга очень тонкими слоями дисперсионной среды.

жидкость

жидкость

Схема структуры пены.

Коллоидные системы.

Коллоидное состояние веществ характеризуется следующими признаками:

1. Размерами частиц от 10^-7 до 10^-5 см.

2. Гетерогенностью

3. Многокомпонентностью

Коллоидные системы классифицируются на:

- золи – это дисперсные системы с частицами коллоидных размеров;

- аэрозоли – это системы, где дисперсной средой является газ;

- лиозоли – это системы с жидкой дисперсионной средой. В зависимости от природы жидкости их называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда), или более конкретно – алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и т.д.

Коллоидные системы образуются двумя путями: диспергированием – дроблением крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров. При этом необходимыми условиями образования коллоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость. Стабилизаторами могут быть вещества, специально вводимые в дисперсионную среду. Они создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию.

Молекулярные коллоиды – вещества, имеющие молекулярную массу от 10 000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС). Размеры макромолекул этих соединений соизмеримы с размерами частиц коллоидных дисперсных систем. Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС и их растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием. К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Растворению ВМС предшествует его набухание. Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего. Набухание может быть ограниченным и неограниченным. При ограниченном набухании объем и масса ВМС достигают определенных значений и дальнейший контакт ВМС с растворителем не приводит к каким-либо изменениям. Ограниченно набухший ВМС называется студнем. У неограниченного набухания отсутствует предел набухания; с течением времени ВМС поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение.

Структурообразование в дисперсных системах

Коллоидные системы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами.

Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами.

Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.

При механическом воздействии связи между частицами могут быть разрушены и гель превратится в текучий золь. Если оставить этот золь в покое через некоторое время связи самопроизвольно восстановятся и вновь образуется нетекучий гель. Это свойство структурированных систем называется тиксотропией.