Изменения макро и микронутриентов в технологическом потоке

Лекция №14

Тема: Изменения макро- и микронутриентов в технологическом потоке

1 Изменения белков в технологическом потоке

2 Изменения липидов в технологическом потоке

3 Изменения углеводов в технологическом потоке

4 Изменения минеральных веществ в технологическом потоке

5 Изменения витаминов в технологическом потоке

1 Изменения белков в технологическом потоке

Нативная трехмерная структура белков поддерживается разнообра­зием внутри- и межмолекулярных сил и поперечных связей. Любое из­менение условий среды в технологических потоках производства пище­вых продуктов оказывает влияние на связи молекуляр­ной структуры и может привести к разрушению четвертичной, тре­тичной и вторичной структуры. Этот процесс называется денатурацией.

Рекомендуемые материалы

Большинство белков денатурируются в присутствии сильных минеральных кислот или оснований, при нагревании, охлаждении, обработке поверхностно-активными веществами, мочевиной, солями тяжелых металлов (Ag, Pb, Hg) или органическими растворителями (этанолом, метанолом, ацетоном).

Большая часть белков денатурируется при температурах выше 60°С, однако встреча­ются и термостабильные белки (казеин и а-лактоальбулин молока и а-амилазы некоторых бактерий). Тепловая денатурация белков является одним из основных физико-химических процессов, лежащих в основе выпечки хлебобулочных изделий, сушки макаронных изделий, варки, жарения овощей, рыбы, мяса, консервирования, пастеризации и стерилизации молока. Данный вид пре­вращений относится к полезным, так как он ускоряет переваривание бел­ков в желудочно-кишечном тракте человека.

Однако при тепловой обработке продуктов выше 100°С со значительной скоростью про­текает взаимодействие белков с восстанавливающими сахарами, сопро­вождающееся образованием карбонильных соединений и темноокрашенных продуктов – меланоидинов, при этом теряются незаменимые аминокислоты (лизин, треонин), что ухудшает пищевую ценность продукта.

Термическая обработка белоксодержащей пищи при температурах выше 120°С или при более низких, но в щелочной среде, при­водит не к денатурации, а к разрушению (деструкции) макромолекул бел­ка с отщеплением функциональных групп, расщеплением пептидных свя­зей и образованием сероводорода, аммиака, углекислого газа и ряда бо­лее сложных соединений небелковой природы. Некоторые из них обладают мутогенными свойствами.

Наряду с денатурацией белков возможна их агрегация. Способность белков к формированию высоко агрегированных и надмолекулярных образований зависит от рН, ионной силы и состава среды.

С повышением рН от 4,0 до 9,1 агрегация белков злаковых культур (пшеницы, ржи, ячменя) повышается. Также агрегирующая способность белков повышается при увеличении концентрации нейт­ральных солей.

Дегидратация белков. Потеря белками связанной воды происходит под влиянием внешних воздействий: сушка продуктов питания, замораживание, хранение в замороженном состоянии и размораживание пищевых продуктов.

Коллоидное состояние белка. Белки обладают различной растворимостью. Одни белки растворяются в дистиллированной воде, другие – в слабых солевых растворах, третьи – в спирте. Некоторые белки нерастворимы.

Часто растворение белков в воде начинается с набухания. При этом белки поглощают воду и увеличиваются в массе в 1,52 раза.

Способность белка набухать зависит от многих факторов: рН раствора, введения солей, температуры и др. Минимальное набухание происходит в изоэлектрической точке и усиливается при сдвиге рН в кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки.

Растворение не всегда сопровождается набуханием, оно характерно для фибриллярных белков (глобулярные белки молока набухают незначительно). При растворении белков образуются коллоидные растворы золи (с диаметром частиц 0,001-0,1 мкм).

2 Изменения липидов в технологическом потоке

При получении продуктов питания в ходе технологического потока липиды исходного сырья претерпевают разнообразные превращения. Значительные изменения происходят и в липидном комплексе хранящихся продуктов.

Главные направления этих превращений – гидролиз липидов, окислительное и биохимическое прогоркание в пищевом сырье, полуфабрикатах и готовых продуктах.

Гидролиз триацилглицеринов

Под влиянием щелочей, кислот, фермента липазы, а также при действии высоких температуры (220-225ºC) и давления (2,0-2,5МПа) триацилглицерины гидролизуются с образованием ди-, затем моноацилглицеринов и, в конечном счете, жирных кислот и глицерина.

При повышении влажности хранящихся продуктов, температу­ры и активности липазы гидролиз липидов интенсифицируется. Гидролиз ацилглицеринов под действием липазы про­текает ступенчато. При этом гидролиз в первую очередь протекает по сложноэфирным связям 1, 3.

Гидролиз триацилглицеринов широко применяется в технике для по­лучения жирных кислот, глицерина, моно- и диацилглицеринов, а также в процессе получения («варки») мыла.

Переэтерификация

Большое практическое значение имеет группа реакций, протекающих при тем­пературе 80–90°С в присутствии катализаторов, при которых идет обмен ацильных групп (ацильная миграция), приводящий к обра­зованию молекул новых ацилглицеринов. При этом ацильная миграция происходит как внутри молекулы ацилглицерина (внутримолекулярная переэтерификация), так и между различными молекулами ацилглицеринов (межмолекулярная пе­реэтерификация).

Переэтерификация высокоплавких животных и растительных жи­ров с жидкими растительными маслами позволяет получить пищевые пластичные жиры с высоким содержанием линолевой кислоты при от­сутствии трансизомеров жирных кислот. Переэтерифицированные жиры специ­ального назначения применяются в хлебопечении, при производстве аналогов молочного жира, кондитерского жира, комбинированных жиров и т. д.

Присоединение водорода (гидрирование ацилглицеринов)

Гидрирование масел и жиров молекулярным водородом в промышленности проводят при температурах 180–240°С в присутствии катализаторов.

Задача гидрогенизации масел и жиров – целе­направленное изменение жирнокислотного состава исходного жира в результате частичного или полного присоединения водорода к остаткам ненасыщенных жирных кислот в липидах растительного происхождения.

Окисление ацилглицеринов

При свободном доступе воздуха происходит окисление жиров, которое ускоряется с повышением температуры. При хранении (температура от 2 до 25°С) в жирах происходит автоокисление (самоокисление), при обжаривании (температура от 140 до 200°С) – термическое окисление.

Первыми продуктами окис­ления являются разнообразные по строению гидропероксиды (первичные продукты окисления). Преимущественно окисляется группа -СН₂-, соседняя с двойной свя­зью (α-положение), а с наибольшей скоростью – расположенная между двумя двойными связями. Образовавшиеся гидропероксиды неустойчи­вы; в результате их сложных превращений образуются вторичные продук­ты окисления: окси- и эпоксисоединения, спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и их производные.

Для подавления процесса автоокисления используют антиоксиданты, которые могут связывать активные радикалы. При введении антиоксидантов в количестве 0,01% стойкость жиров к окислению увеличивается в 10–15 раз.

Если жир нагрет до температуры от 140 до 200⁰ С в воздушной среде, то присоединение кислорода к углеводородным радикалам жирных кислот происходит интенсивно и более беспорядочно, минуя некоторые стадии, имеющие место при автоокислении. При этом не только снижается пищевая ценность липидов, но и возникает реальная угроза здоровью при употреблении липидов с продуктами окисления.

4 Изменения минеральных веществ в технологическом потоке

При переработке пищевого сырья, как правило, происходит снижение содержания минеральных веществ (кроме технологий, предусматривающих их специальное введение: добавление поваренной соли, производство ферментативных, а также плавленых сыров и т.д.).

В растительных продуктах они теряются с отходами. Так, содержание ряда макро- и микроэлементов при получении крупы и муки после обработки зерна снижается, так как в удаляемых оболочках и зародышах этих компонентов находится больше, чем в целом зерне. При очистке овощей и картофеля теряется от 10 до 30% минеральных веществ. Если их подвергают тепловой обработке, то в зависимости от технологии (варки, обжаривании, тушении) теряется еще от 5 до 30%.

Мясные, рыбные продукты и птица, в основном теряют такие макроэлементы как кальций и фосфор при отделении мякоти от костей. При тепловой кулинарной обработке мясо теряет от 5 до 50% минеральных веществ. Однако, если обработку вести в присутствии костей, содержащих много кальция, то возможно увеличение его содержания в кулинарно обработанных мясных продуктах на 20%.

При производстве жидких молочных продуктов их минеральный состав практически не изменяется. При производстве белковых молочных продуктов: творога, сыры в них концентрируются соли кальция и магния, но снижается содержание калия, натрия и хлора.

В технологическом процессе за счет недостаточно качественного оборудования может переходить в конечный продукт некоторое количество микроэлементов, в том числе и токсичных, что представляет опасность для здоровья человека.

При хранении консервов в жестяных банках с некачественно выполненным припоем или при нарушении защитного лакового слоя в продукт могут переходить такие высокотоксичные элементы как свинец, кадмий, а также олово.

5 Изменения углеводов в технологическом потоке

При производстве и хранении пищевых продуктов, содержащиеся в них углеводы подвергаются реакциям гидролиза, дегидратации, в том числе термической деградации, реакциям образования коричневых продуктов, окислению и брожению.

5.1 Гидролиз углеводов. Гидролиз пищевых гликозидов, олигосахаридов и полисахаридов имеет место во многих технологиях, а также при хранении пищевых продуктов, последнее является нежелательным.

Гидролиз сахарозы. Поскольку сахароза как сырье используется во многих производствах, необходимо учитывать ее исключительную способность к гидролизу. Это может иметь место при нагревании в присутствии неболь­шого количества пищевых кислот. Образующиеся при этом моносахара (глюкоза, фруктоза) могут участвовать в реакциях дегидрата­ции, карамелизации и меланоидинообразования, образуя окрашенные и ароматические вещества. В ряде случаев это может быть нежелательно.

Ферментативный гидролиз сахарозы под действием фермента сахаразы (инвертазы) играет положительную роль в ряде пищевых технологий (производство кондитерских изделий).

Гидролиз крахмала.

1. Гидролиз крахмала возможен под действием кислот. Он используется в промышленности для получения глюкозы. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, так как сопровождается образованием продуктов термической деградации и дегидратации углеводов.

2. Крахмал гидролизуется также и под действием амилолитических ферментов при получении зерновых сахарных сиропов из дешевого крахмалсодержащего сырья и крахмала (рожь, кукуруза, сорго и др.). Ферментативный гидролиз крахмала присутствует во многих пище­вых технологиях как один из необходимых процессов в хлебопечении производстве пива, спирта, различных сахаристых крахмалопродуктов.

Ферментативный гидролиз некрахмалистых полисахаридов. Этот гид­ролиз имеет место под действием ферментов целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического комплекса. Используется в пище­вой технологии для более полной переработки сырья и улучшения каче­ства продукции.

5.2 Реакции дегидратации и термической деградации углеводов

Эти реакции катализируются кислотами и щелочами и занимают важное место производстве пищевых продуктов. При дегидратации пентоз образуется в основном фурфурол, при дегидратации гексоз – оксиметилфурфурол и другие продукты. Некоторые из образующихся продук­тов обладают определенным запахом и могут поэтому сообщать пище­вому продукту желательный или нежелательный аромат.

При тепловой обработке некоторых пищевых продуктов могут обра­зовываться в значительном количестве ангидросахара, особенно при об­работке в сухом виде продуктов, содержащих D-глюкозу или полимеры на её основе.

При получении глюкозы кислотным гидролизом крахмала, который обычно проводят в сильнокислой среде при высокой температуре, могут в результате деградации углевода могут образовываться изомальтоза и гентиобиоза, что является нежелательным.

5.3 Реакции образования коричневых продуктов

Потемнение пищевых продуктов может иметь место в результате окислительных или неокислительных реакций. Неокислительное или неферментативное потемнение связано с реакциями углеводов и включает явление карамелизации и взаимодействие углеводов с белка­ми или аминами (реакция Майяра).

Карамелизация. Прямой нагрев углеводов, особенно сахаров и сахар­ных сиропов, способствует протеканию комплекса реакций, называемых карамелизацией. Реакции катализируются небольшими концентрация­ми кислот, щелочей и некоторых солей. При этом образуются коричне­вые продукты с типичным карамельным ароматом. При этом основными являются реакция дегидратации с образованием ангидроколец или включение двойных связей в кольца углеводов. В результате образуются соединения, имеющие коричневый цвет.

Реакция Майяра (меланоидинобразование). Реакция Майяра является первой стадией реакции неферментативного потемнения пищевых про­дуктов. Для протекания реакции требуется наличие редуцирующего са­хара, аминного соединения (аминокислоты, белки) и немного воды.

На начальной стадии реакции Майяра карбонильный углерод редуцирующего сахара в открытой цепи под­вергается нуклеофильной атаке свободной электронной парой аминно­го азота. Это сопровождается потерей воды и замыканием кольца с обра­зованием глюкозоамина (рис. 2). Глюкозоамин под­вергается перегруппировке по Амадори и переходит в аминокислоту (фруктозоамин). Продукты реакции, полученные при перегруппировке по Амадори, могут далее превращаться по двум путям: один – через дикарбонильные промежуточные соединения (дифруктозоамин), другой – через образование промежуточных дезоксигексозулоз. В обоих случаях образуются меланоидиновые пигменты.

Поскольку в реакции Майяра участвуют белки и аминокислоты, оче­видно, что имеет место определенная их потеря, как нутриента питания и снижение пищевой ценности продукта.

Протекание реакции меланоидинообразования можно ингибировать снижением рН ниже 6 ед., обеспечением в продукте очень низкой или высокой «активности воды», снижением температуры технологического процесса, снижением кон­центрации сахара (разведением) или его полным удалением, например, путём окисления.

5.4 Окисление углеводов

Действие окислителей. При определенных условиях возмож­но окисление углеводов в альдоновые кислоты, причем β-форма окисляется быст­рее, чем α-форма. Продуктом окисления является лактон, который находится в равновесии со свободной формой альдоновой кислоты.

Глюконо-β-лактон может присутствовать в пищевых продуктах в уме­ренно кислой среде, когда имеет место медленная реакция, например, при получении некоторых молочных продуктов.

При действии более сильных окислителей (например, азотной кис­лоты) образуются дикарбоновые кислоты.

Окисление, катализируемое ферментами. Здесь прежде всего следует сказать об окислении глюкозы под воздействием глюкозооксидазы.

5.5 Процессы брожения

Брожение – процесс с участием углеводов, используемый в ряде пищевых технологий: в производстве кисломолочных продуктов, пива, кваса, спирта, вина, во время тестоприготовления. Различают несколько видов брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, пропионовокислое и маслянокислое. Наибольшее практическое значение в пищевой промышленности имеют спиртовое и молочнокислое брожение.

Спиртовое брожение осуществляется благодаря жизнедеятельности ряда микроорганизмов. Наиболее типичными организмами спиртового брожения являются дрожжи рода Saccharomyces. Суммарно спиртовое брожение может быть выражено следующим уравнением:

С₆Н₁₂О₆ = 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН

В реальном процессе спиртового брожения, кроме глав­ных продуктов – этилового спирта и углекислого газа, всегда в незначительном количестве образуются другие спирты, а также карбоновые кислоты, от наличия которых зависит специфический аромат вина, пива и других спиртных напитков.

Другой вид брожения, важный для пищевых технологий, это молочнокислое брожение, при котором из одной молекулы гексозы образуются две молекулы молочной кислоты:

Молочнокислое брожение играет очень большую роль при производстве молочнокислых продуктов (простокваши, ацидофилина, кефира, ку­мыса, творога, кисломолочных сыров), при изготовлении кваса, хлебных заквасок и «жидких дрожжей» для хлебопечения, при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.

Все микроорганизмы, вызывающие молочнокислое брожение, раз­деляются на две группы.

К первой группе принадлежат микроорганизмы, подобные Lactococcus lactis, сбраживающие гексозы в точном соответствии с вышеприведенным суммарным уравнени­ем молочнокислого брожения. Их называют гомоферментативными молочнокислыми бактериями.

Вторую группу образуют гетероферментативные молочно­кислые бактерии, которые, кроме молочной кислоты, образуют значитель­ные количества других продуктов, в частности, уксусной кислоты и этило­вого спирта.

6 Изменения витаминов в технологическом потоке

Витамины из всех нутриентов обладают наименьшей устойчивостью. В процессе хранения и технологической переработки пищевого сырья, а также при хранении готовых продуктов питания происходят существенные изменения их витаминного состава.

Основными факторами, влияющими на степень и скорость изменения витаминов, являются: действие света и кислорода воздуха, температура хранения и обработки, реакция среды, взаимодействие витаминов с ионами металлов и др.

Среди витаминов наибольшей устойчивостью обладают РР, В6, В2, В3 и Н.

Ещё посмотрите лекцию "24. Теоретическая производительность центробежного насоса" по этой теме.

Высокой чувствительностью к действию света отличаются С, В2 и В9.

Термолабильными являются витамины А и С.

Разрушаются кислородом воздуха витамины С, А, Е, В1 и В9. Эти витамины являются антиокислителями и предохраняют сырьё и продукты от окислительной порчи.

Некоторые витамины чувствительны к реакции среды, так в нейтральной среде устойчивы витамины В3, В9, в кислой – В1, В2.

Общим свойством всех водорастворимых витаминов (витамины группы В, витамины С и Н) является возможность высоких потерь в процессах экстракции.

Следует отметить, что разрушение витаминов может носить и ферментативный характер. Это характерно для витаминов В1, С (ферменты тиаминаза, аскорбатоксидаза).