Дегідратація вуглеводів
Реакції дегідратації вуглеводів каталізуються кислотами і лугами при високих температурах. З пентоз утворюється токсичний фурфурол, з гексоз – оксиметилфурфурол та інші продукти такі як ізомальтол, мальтол.
При фрагментації цих продуктів утворюється левулінова, мурашина, молочна, оцтова кислоти та інші сполуки, які можуть надавати продуктам необхідний, або не бажаний аромат.
Ключовою сполукою в реакції дегідратації глюкози є 3-дезоксиглюкозон. Кінцевий продукт – оксиметилфурфурол.
3-дезокси-D- енольна форма
Глюкозон
Оксиметилфурфурол
Реакції, що відбуваються при температурній обробці цукрів поділяють на такі, що відбуваються без розриву вуглецевого ланцюга, і з розривом вуглецевого ланцюга. До перших відносять реакції аномеризації: α-глюкоза → α/β-форми; D-глюкоза → D-фруктоза.
При високих температурах (~200ºС) відбуваються реакції трансглікозилювання: кількість (1,4)-α-D-зв’язкиів зменшується, та утворюються (1,6)-α-D-зв’язки і навіть (1,2)-β-D-зв’язки. При кислотному гідролізі крохмалю утворюються ізомальтоза, гентіобіоза. При термічній обробці сухих продуктів можуть утворюватись ангідроцукри (рис.)
Рис. Продукти термічної деструкції глюкози
Реакції з розривом С-С-зв’язків призводять до утворення летких кислот, кетонів, фуранів, спиртів, ароматичних сполук, оксидів карбону. Всі ці процеси знижують якість харчових продуктів.
Реакції утворення коричневих продуктів
Потемніння харчових продуктів пов’язане з реакціями перетворення вуглеводів, їх взаємодії з білками або амінокислотами. Вони представлені реакціями карамелізації і меланоїдиноутворення.
Карамелізація – комплекс реакцій, які відбуваються при прямому нагріванні вуглеводів. Каталізують ці реакції невисокі концентрації кислот, лугів і деяких солей. Утворюються коричневі продукти з карамельним ароматом.
Нагрівання спричиняє розрив і утворення нових глікозидних зв'язків. Але основними є процес дегідратації, у результаті якого відбувається утворення подвійних зв'язків, формування циклопентанолонів і циклогексанолонів. Спряжені подвійні зв’язки адсорбують світло певної довжини хвилі і надають продуктам коричневого забарвлення.
Нагріванням розчину сахарози у присутності сульфатної кислоти або кислих солей амонію одержують інтенсивно забарвлені полімери (цукровий колор) для застосування у виробництві напоїв, карамелі. У присутності НSO3–-йонів підвищується стабільність і розчинність цих полімерів.
Комплекс реакцій карамелізації призводить до утворення різних сполук з унікальним смаком і ароматом. Так, мальтол та ізомальтол мають запах печеного хліба, 2-Н-4-гідрокси-5-метилфуранон - аромат смаженого м’яса.
Мальтол Ізомальтол 2-Н-4-гідрокси-5-
(3-гідрокси-2-метилпіранон) метилфуранон
Реакція меланоїдиноутворення починається з конденсації альдози й аміну в глюкозиламін, енамінольна форма якого може реагувати далі у двох напрямах:
Основні шляхи реакції Майяра (меланоїдиноутворення):
У результаті перегрупування Амадорі енольний гідроген переміщується до атому С1, утворюється 1- дезокси-1-аміно-2-кетоза. Цим шляхом через 2,3-ендіол, після відщеплення аміну умовлене утворення a-b-дикарбонільних сполук і редуктонів. Дуже реакційноздатні a- і b-ненасичені кетони можуть полімеризуватись у високомолекулярні коричнево-чорні меланоїдини або розщеплятись на прості леткі сполуки.
А цих умов, утворюються такі речовини як метилгліоксаль, диацетил, ацетон, ацетальдегід, завжди присутні при випіканні хліба. Ці речовини можуть вступати в реакцію з амінами, утворюючи меланоїдини. Останні являють собою високомолекулярні забарвлені в коричнево-чорний колір речовини структура яких не з’ясована.
Другий шлях реакції Майяра, представленої на схемі (рис) проходить через відщеплення гідроксильної групи від атому С3 та утворення дезоксиозонів. Останні при відщепленні води і утворенні п’ятичленного циклу перетворюються у фурфурол (у випадку пентоз) або 5-гідроксиметилфурфурол (гексози), дуже активні ароматичні сполуки.
Окиснення вуглеводів. У харчових технологіях відбувається і широко використовується окиснення альдоз Продуктом цього процесу за певних умов є ρ-лактон, γ-лактон, вільна форма альдонової кислоти. Окиснення альдоз відбувається при виробництві кисломолочних продуктів.
Глюконова кислота
Окиснення глюкози під дією ферментів застосовують для видалення кисню з напоїв (соків, пива), оскільки кисень може бути причиною потемніння і зміни запаху продуктів при зберіганні. Перед герметизацією тари до напоїв додають глюкозооксидзу, яка, за участю О2 перетворює глюкозу у D-глюконову кислоту.
При дії сильніших окисників (нітратної кислоти) утворюються дикарбонові кислоти. Окиснення в уронові кислоти можливе лише при захисті карбонільної групи.
Один з промислових методів одержання глюкуронової кислоти: при гідролізі крохмалю можна показати на схемі.
Уронові кислоти поширені у природі, вони є структурними компонентами мікробних і рослинних полісахаридів, які використовують у харчових технологіях як загусники. Це пектин, мономером якого є D-галактуронова кислота, альгінати із морських водоростей (D-мануронова кислота, α-гулуронова кислота).
Бродіння вуглеводів дуже поширений у природі процес, який є основою виробництва багатьох харчових продуктів: хлібобулочних і молочнокислих виробів, алкогольних напоїв і харчових кислот та ін.
У результаті бродіння, яке відбувається завдяки життєдіяльності певних мікроорганізмів, утворюються різноманітні спирти, кислоти, альдегіди, кетони, від кількості і співвідношення яких залежить аромат, смак і якість продукту.
Найпоширенішими є спиртове і молочнокисле бродіння. Для забезпечення спиртового бродіння на практиці застосовують один вид дріжджів родини сахароміцетів - Sacharomyces cerevisiae, окремі штами якого дуже різняться за особливостях ферментних систем.
Ця чисельна ферментна система і здійснює процес анаеробного перетворення вуглеводів з утворенням етилового спирту і вуглекислого газу.
Дріжджі зброджують лише гексози. Легше піддаються бродінню глюкоза і фруктоза, повільніше маноза і ще гірше – галактоза. Дисахариди зброджуються лише після попереднього гідролізу до моноцукрів ферментами дріжджів. Полісахариди крохмалю потребують попереднього гідролізу мікробними амілазами, або солодом. Цей процес застосовується при виробництві алкогольних напоїв із крохмалевмісної сировини: пшениці, ячменю, кукурудзи, рису, картоплі та ін.
Сумарне рівняння спиртового бродіння не висвітлює всієї складності процесу:
1. Перша стадія цього процесу - утворення фосфорних ефірів цукрів, фосфорилювання глюкози з участю аденозинтрифосфорної кислоти. Цей процес каталізує фермент глюкокіназа (гексокіназа).
Глюкоза Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат
2. Утворений глюкозо-6-фосфат піддається ізомеризації під дією ферменту глюкозо-фосфат-ізомерази у фруктозо-6-фосфат
3. Утворений фруктозо-6-фосфат далі фосфорилюється за рахунок АТФ з участю ферменту фосфофруктокінази, утворюється фруктозо-1,6-дифосфат. Цим закінчується підготовча стадія анаеробного (і аеробного) розщеплення цукрів.
4. На наступній стадії фруктозо-1,6-дифосфат розпадається на 2 молекули фосфотріоз: фосфогліцериновий альдегід і фосфодіоксиацетон за участю ферменту альдолази.